基于输入受限式自激发驱动的多机器人协同控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明所涉及的是基于多SCARA机器人的多机器人组网协同控制领域，具体涉及 一种基于输入受限式自激发驱动的多机器人协同控制方法，实现多机器人输入受限分布式 协同自激发驱动1^增益优化控制。
【背景技术】
[0002] 工业机器人以其代替人类单调繁重的体力劳动，便于实现自动化提高生产效率等 优点，而被广泛应用于工程机械、汽车制造等领域。这其中平面关节型SCARA(selective compliance assembly robot arm)机器人，具有动作快、重复精度高、部件少、多种安装方 式、基本免维修等优点，在工业现场得到了大量应用。伴随着研究的不断深入，针对多机器 人协同作业的需求日益强烈，其可完成单个机器人体无法完成的功能，能极大增强机器人 协同作业的效率，研究多个机器人的编队、组网、协同和控制具有极高的科学与应用价值。 多机器人之间通过信息共享实现配合、协作，共同完成作业任务，对未来产业链的升级都具 有深刻的意义。
[0003] 在传统的多机器人、无人机等高机动协同作战平台进行信息交互时，通常采用基 于时间驱动机制的闭环控制，即需要每一个智能体的反馈通道与前向通道，智能体与智能 体之间信息交换时，都需要进行周期性采样。该方法的优点是可以持续观测系统内部状态， 但是需要执行器和反馈回路进行持续不断的反馈。而自激发驱动机制下的控制是指只有当 系统状态满足一定条件时控制器才会启动发挥其作用，不需要进行周期性的采样。而即使 在事件驱动激发驱动机制下，仍然要求精密的硬件设备在全过程中监控被控对象的误差。 但工程实现时的多种协同控制背景下，上述策略所要求的设备并不具备这一条件。而自激 发驱动机制则能有效避免这一问题，其主要思想是控制器下一更新的时刻值在上一个运算 周期就提前计算出来，而不需要持续监测测量误差来触发更新时刻。自激发驱动控制机制 是针对传统时间驱动机制无法满足大规模数据交换提出的，可有效解决数据传输系统中的 延时、丢包和拥堵等现象，节省计算资源、通信带宽、大大提高系统通信效率和可靠性。由于 自激发驱动机制这一显著优点，其研究得到学术界和国外军事部门普遍关注和深入研究。
[0004] 多机器人协同控制系统因其具有速度快、数据交换量大、容易延时丢包和工作环 境复杂等特点，其建模、控制和调节等问题成为学术界和工业界的研究热点问题。但是目前 在机器人控制系统中各种驱动机制中，通常并未考虑输入受限等非线性环节。输入受限系 统自激发驱动控制指的是针对输入或状态受限的被控对象采取自激发驱动的方式进行协 同、规划与控制，且利用合适的控制策略来处理输入或状态受限的非线性约束，用以减小输 入受限系统的运算负担，提高通信效率，使数据交换量较大的多机器人系统具备传统控制 系统无法达成的能力。
[0005] 自上世纪九十年代以来，随着网络理论、通信技术、控制科学和工程技术的快速发 展，迫切需要解决受限多机器人控制系统的镇定和控制问题。在该类系统中，传统的基于时 间驱动的控制方法往往因为计算量庞大，且需要用到所有时刻的历史信息进行迭代而面临 诸多瓶颈，而采用事件驱动和自激发驱动的方式可以提高多智能体的整体效能，节省系统 的通信成本，提高系统的动态性能，使控制系统具有良好的控制品质。自激发驱动与事件 驱动和基于事件或非时间参考量的规划与控制方法最早由美国密西根州立大学的席宁于 1993年在其博士论文里首次提出的一种新型控制策略。《分布式网络化监测和控制系统的 事件触发米样优化准则》（The event-triggered sampling optimization criterion for distributed networked monitoring and control systems) 一文中，提出基于事件驱动和 自激发驱动的控制方法在大时延网络控制系统控制中，能获得比基于时间驱动的控制方法 更为可靠、更优良的控制效果，避免时延问题造成的系统性能下降，因而近5年来，受到较 多的关注和研究。自激发驱动与事件驱动对单个和多个智能体的控制与调节问题也已经出 现相关结论，但是截止目前，自激发驱动与事件驱动机制引入多机器人系统后，对于输入受 限系统的影响目前暂无明确的结果，依然为一个开放性的课题。
[0006] 另一方面，输入受限普遍存在于各类工业系统和航空航天系统。受到物理属性的 限制，绝大多数实际系统都存在约束问题，特别是输入约束，例如被控对象速度、位置、加 速度、飞行器系统转弯半径、化学装置的流量、温度、甚至是网络通信系统的流量等。执行器 饱和往往会严重影响系统的各项性能，导致系统不稳定，甚至引发重大事故。输入受限系 统的稳定和镇定具有重要的实际意义，但在理论上却极具挑战。为处理饱和非线性，各类设 计和综合的方法被提出来。各类新型被控对象，尤其是高机动、旋转型和小型化的飞行器 中，其运动速度越来越快，受到的干扰也越来越剧烈，外部扰动通常不可直接测量，且对探 测器信号稳定影响较大，因此回路极易发生饱和现象，研究能够克服输入饱和约束且能进 行噪声抑制的回路稳定算法和系统实现是其急需解决的关键技术之一。
【发明内容】
[0007] 针对上述高速机器人控制系统存在的需要进行高速周期性采样，部分状态不可测 与饱和非线性等影响因素，本发明提出一种基于输入受限式自激发驱动的多SCARA机器人 协同控制方法，实现输入受限系统的自激发驱动状态反馈和输出反馈1^增益优化控制设 计。
[0008] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于输入受限式自激发驱动的 多机器人协同控制方法，其中：
[0009] 对于带输入受限约束的自激发驱动闭环系统，在其控制器的表达式为
的情况下，求取使下列多目标优化问题具有可行解 的矩阵
和常数的标量δ :
\为邻接矩阵Α。中的元素，表 示第i和第j个节点之间的连接关系，其中邻接矩阵A。= [ai]] ERnxn为带有非负元素ai]， 且对角线均为〇的矩阵； <为自激发驱动时刻，u为控制器输入，μ为正常数，F为状态反馈 增益值，X1, Χ]分别是相邻近的第i个和第j个机器人的系统状态；
[0012] 通过满足第一约束条件，确定带输入受限约束的自激发驱动闭环系统的不变集， 使表示系统稳定性要求的李雅普诺夫函数的导数F < 0 :
[0013] 第一约束条件为：
[0015] 通过满足第二约束条件，确定多机器人协同自激发驱动闭环系统的椭球范围，确 保椭球处于使系统不发生饱和的线性区间
[0016] 第二约束条件为：
符号表示共辄对称关 系；/7,为矩阵77的第i行；ε (P，P )是带输入受限约束的自激发驱动闭环系统的一个不变 集；
[0019] 通过满足第三约束条件，根据估计的控制输出的峰值大小进行自激发驱动闭环系 统的1^增益优化，使得从噪声w到性能输出ζ的L i增益不大于δ ;
[0020] 第三约束条件为：
[0022] 其中，A, Β，Cz，Dzw为第i个机器人的被控对象方程中的参数；机器人对象的描述方 程为：
[0023] 所述多机器人协同控制方法使多个平面关节型机器人构成的系统达到状态一致， 完成多机器人协同制导与控制。
[0024] 优选地，通过下式求解自激发驱动时刻：
[0027] 对于任意
是第j个机器人的最后一个事件驱动时刻。
[0028] 优选地，确定带输入受限约束的自激发驱动闭环系统的不变集时，将饱和环节表 达在多胞上，使李雅普诺夫函数的导数#·<〇转换为：
[0031] 优选地，确定多机器人协同自激发驱动闭环系统的椭球范围时，求解矩阵P = Ρτ>0,和正的标量p，使得下式成立：
[0034] 优选地，通过下式，使测量输出z(t)最小化，或者使以δ表示的峰峰值增益最小 化：
[0035] zT(t)z(t) 5wT(t)w(t)
[0036] 其中，w(t)为噪声。
[0037] 本发明基于输入受限式自激发驱动的多SCARA机器人协同控制方法，实现多机器 人输入受限分布式协同自激发驱动L 1增益优化控制设计，该方法抛弃了传统控制方法中需 要进行周期性采样的反馈控制方式，而是在满足稳定性和优化特性前提下，等到闭环系统 真正需要时，利用上一时刻智能体自身信息获取下一时刻控制量，完成自激发采样控制。此 外，在上述自激发驱动机制上，本发明采用多胞方法处理饱和非线性环节，可以有效进