一种高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法与流程

1.本发明涉及高速有轨机器人技术领域，具体涉及一种高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法。


背景技术：

2.随着我国交通运输业与物流运输业的迅猛发展，人们的出行、邮寄、购物方式得到了极大的改善，使得人们的生活幸福感有了很大程度的提高。随着智慧城市的发展，城市的车辆已经越来越多，交通阻塞问题使得人们日益出行变得更加困难，而物流运输行业在交通方面占比较重，因此，基于地下运输网络的高速有轨机器人概念的提出及分布式协同控制方法的运用具有非常重要的现实意义。


技术实现要素：

3.本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种通过对高速有轨机器人进行建模，并对机器人模型采用分布式控制算法，自适应调整控制参数，从而达到多机器人分布式协同运行及制动的控制目的方法。
4.本发明克服其技术问题所采用的技术方案是：
5.一种高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法，包括如下步骤：
6.a)依据高速有轨机器人运行速度、输入饱和约束及阻尼系数建立有轨高速机器人系统离散时间动力学模型；
7.b)根据有轨高速机器人系统离散时间动力学模型，利用一致性控制目标建立分布式控制算法并给出控制算法参数取值；
8.c)给一条轨道线上的各个高速有轨机器人进行编号，通过步骤a)对每一个高速有轨机器人进行动力学建模；
9.d)对每一个高速有轨机器人通过步骤b)建立相应的分布式一致性控制算法；
10.e)将高速有轨机器人的分布式一致性控制算法写入各机器人软件程序中；
11.f)当切换到一致性控制命令，各机器人程序进入到分布式一致性控制算法代码循环，通过获取相邻机器人的位置信息，自主进行调整，直到实现控制目标。
12.步骤a)包括如下步骤：
13.a-1)定义xi为第i个有轨机器人在一维轨道上的位置向量，定义vi为第i个有轨机器人在一维轨道上的速度向量，将第i个有轨机器人的速度约束集合定位为vi，将第i个有轨机器人的饱和约束集合定义为ui；
14.a-2)根据公式计算得到第i个有轨机器人所受的运行阻尼向量ri，式中c0为摩擦力常数项，为横滚阻力和轨道坡度阻力，为阻力系数，cv为常数系数，δcv为有界浮动系数，0＜δcv＜β1，β1为上界，
为空气阻力，为阻力系数，ca为常数系数，δca为有界浮动系数，0＜δca＜β2，β2为上界，
15.a-3)通过公式计算得到第i个有轨机器人的速度饱和约束算子式中为速度约束区间的上限值，为速度约束区间的下限值，通过公式计算得到第i个有轨机器人的控制输入饱和约束算子入饱和约束算子为输入约束区间的上限值，为输入约束区间的下限值；
16.a-4)通过公式建立有轨高速机器人系统离散时间动力学模型，k为时间序列，k为正整数，t为采样周期，ui为第i个有轨机器人的控制输入。
17.步骤b)包括如下步骤：
18.b-1)通过公式建立一致性控制目标，式中xj为第j个有轨机器人在一维轨道上的位置向量，d
ij
为第i个有轨机器人和第j个有轨机器人之间的距离，vj为第j个有轨机器人在一维轨道上的速度向量；
19.b-2)通过公式建立分布式控制算法，式中ui(k+1)为第i个有轨机器人k+1时刻的控制输入，式中h
1i
为控制参数，h
2i
为控制参数，a
ij
为第i个有轨机器人和第j个有轨机器人之间的通信连通度，ni(k)为第i个有轨机器人在k时刻的邻居机器人集合；
20.b-3)控制算法参数取值为：
21.本发明的有益效果是：通过对一条运行轨道上的多机器人系统进行建模，并且设计一致性协同控制方法实现了多机器人的安全制动问题，保证了高速有轨机器人安全、高效地运行。使高速有轨机器人协同控制主要是通过对每个机器人进行动力学建模、采用分布式协同控制算法，保证高速有轨机器人安全、高效地运行。
附图说明
22.图1为本发明的高速有轨机器人系统建模与分布系统控制方法流程图；
23.图2为本发明的高速有轨机器人分布式协同控制结构图。
具体实施方式
24.下面结合附图1、附图2对本发明做进一步说明。
25.一种高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法，包括如下步骤：
26.a)依据高速有轨机器人运行速度、输入饱和约束及阻尼系数建立有轨高速机器人系统离散时间动力学模型。
27.b)根据有轨高速机器人系统离散时间动力学模型，利用一致性控制目标建立分布式控制算法并给出控制算法参数取值。
28.c)给一条轨道线上的各个高速有轨机器人进行编号，通过步骤a)对每一个高速有轨机器人进行动力学建模。
29.d)对每一个高速有轨机器人通过步骤b)建立相应的分布式一致性控制算法。
30.e)将高速有轨机器人的分布式一致性控制算法写入各机器人软件程序中。
31.f)在任意时刻，只要切换到一致性控制命令，各机器人程序进入到分布式一致性控制算法代码循环，通过获取相邻机器人的位置信息，自主进行调整，直到实现控制目标。
32.在高速有轨机器人建设的过程中，考虑到运行过程中速度、输入饱和约束以及各种阻尼系数的不确定性，因此根据高速有轨机器人运行过程的空气阻力以及滚动摩擦带来的机械阻尼建立动力学模型，根据所述动力学模型设计并执行相应的分布式控制算法，实现多机器人协同控制。本发明主要从多机器人分布式协同控制角度提供一种基于速度、输入饱和约束和阻尼参数不确定性机器人模型的安全、高效的控制方法。主要研究内容包括高速有轨机器人动力学建模、分布式控制算法设计以及控制参数自适应调整三个方面。
33.考虑到有轨机器人的特殊性，运行状态饱和约束以及运行阻尼参数不确定的情况在机器人实际运行中客观存在，并且对机器人运行有着重要影响。本专利基于机器人运行速度、输入饱和约束以及运行阻尼参数不确定情况进行建模。
34.分布式控制算法的设计主要包含两个部分，第一部分补偿了机器人运行阻力中可确定的部分，抵消了非线性阻力产生的影响，降低了计算机的运算负担；第二部分设置了可自适应调整的控制参数，并用相邻机器人的信息交互来保证机器人在安全距离制动。
35.自适应控制是控制领域中一种重要的控制策略，它针对于系统内部结构以及外部扰动的不确定性，设计适当的控制器，使得某一指标达到并保持最优或近似最优。
36.通过自适应控制，控制参数在给定初始值的情况下可实现实时调整，从而达到优化控制结果的目的。
37.综上所述，基于高速有轨机器人系统建模与分布式协同控制方法，通过对高速有轨机器人进行建模，并对机器人模型采用分布式控制算法，自适应调整控制参数，从而达到多机器人分布式协同运行及制动的控制目的。
38.通过对一条运行轨道上的多机器人系统进行建模，并且设计一致性协同控制方法实现了多机器人的安全制动问题，保证了高速有轨机器人安全、高效地运行。使高速有轨机器人协同控制主要是通过对每个机器人进行动力学建模、采用分布式协同控制算法，保证高速有轨机器人安全、高效地运行。分析了高速有轨机器人速度、输入饱和约束及阻尼系数不确定的情况下，建立了多机器人动力学模型，并使用分布式以及自适应控制的思想对同一线路上的多辆高速有轨机器人进行协同控制。考虑了有轨机器人运行线路的速度约束、有轨机器人运行阻尼参数不确定的情况，建立了多有轨机器人的动力学模型，并使用分布式协同控制方法的控制参数自适应调整。应用自适应控制对控制参数调整能优化机器人协同运行及协同制动的控制效果。
39.本发明首先提出高速有轨机器人的相关概念，包括设计目的、设计思路、模型建立等方面。高速有轨机器人是为了提供更快速、更精确、更便捷的物流运输等服务，将运行轨道设计并安装在半封闭的地下环境中，通过建设高速运输轨道以及相对固定的运输节点行成一个庞大的地下物流网络，实现快递、外卖、信件等行业的快速物流转换和集中配送等。
40.在对高速有轨机器人建模过程中，考虑到机器人滑轮与轨道的摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻尼等，并对阻尼系数加入了不确定部分以进一步考虑因磨损、老化等因素导致阻尼大小的浮动，以此来建立高速有轨机器人系统动力学模型。然后，根据所述动力学模型设计并执行相应的分布式控制算法，通过通讯网络采集相邻机器人的位置信息，实现多机器人协同一致性控制。
41.进一步的，步骤a)包括如下步骤：
42.a-1)定义xi为第i个有轨机器人在一维轨道上的位置向量，定义vi为第i个有轨机器人在一维轨道上的速度向量。根据机器人的运行速度限制条件和自身物理限制，将第i个有轨机器人的速度约束集合定位为vi，将第i个有轨机器人的饱和约束集合定义为ui。
43.a-2)根据戴维斯方程定义机器人滑轮与轨道的摩擦力、横滚阻力、轨道坡度阻力、空气阻尼。具体的，根据公式计算得到第i个有轨机器人所受的运行阻尼向量ri，式中c0为摩擦力常数项，为横滚阻力和轨道坡度阻力，为阻力系数，cv为常数系数，根据轨道和机器人滑轮材料等进行空洞实验获得，δcv为有界浮动系数，0＜δcv＜β1，β1为上界，为上界，为空气阻力，为阻力系数，ca为常数系数，根据轨道和机器人滑轮材料等进行空洞实验获得，δca为有界浮动系数，0＜δca＜β2，β2为上界，
44.a-3)通过公式计算得到第i个有轨机器人的速度饱和约束算子式中为速度约束区间的上限值，为速度约束区间的下限值，通过公式计算得到第i个有轨机器人的控制输入饱和约束算子饱和约束算子为输入约束区间的上限值，为输入约束区间的下限值。
45.a-4)通过公式建立有轨高速机器人系统离散时间动力学模型，k为时间序列，k为正整数，t为采样周期，ui为第i个有轨机器人的控制输入。
46.进一步的，步骤b)包括如下步骤：
47.b-1)一致性控制目标是指：所有的机器人的位置状态向量和速度状态向量都达到一致，并且相邻机器人之间保持一定的安全距离，具体的通过公式建立一致性控制目标，式中xj为第j个有轨机器人在一维轨道上的位置向量，d
ij
为第i个有轨机器人和第j个有轨机器人之间的距离，vj为第j个有轨机器人在一维轨道上的速度向量；
48.b-2)根据相邻机器人的位置信息，设计分布式一致性控制算法，具体的，通过公式建立分布式控制算法，式中ui(k+1)为第i个有轨机器人k+1时刻的控制输入，式中h
1i
为控制参数，h
2i
为控制参数，a
ij
为第i个有轨机器人和第j个有轨机器人之间的通信连通度，ni(k)为第i个有轨机器人在k时刻的邻居机器人集合；
49.b-3)控制算法参数取值为：且机器人之间的通信是依赖无线网络，系统的通讯结构满足联合联通有向生成树条件。
50.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法，其特征在于，包括如下步骤：a)依据高速有轨机器人运行速度、输入饱和约束及阻尼系数建立有轨高速机器人系统离散时间动力学模型；b)根据有轨高速机器人系统离散时间动力学模型，利用一致性控制目标建立分布式控制算法并给出控制算法参数取值；c)给一条轨道线上的各个高速有轨机器人进行编号，通过步骤a)对每一个高速有轨机器人进行动力学建模；d)对每一个高速有轨机器人通过步骤b)建立相应的分布式一致性控制算法；e)将高速有轨机器人的分布式一致性控制算法写入各机器人软件程序中；f)当切换到一致性控制命令，各机器人程序进入到分布式一致性控制算法代码循环，通过获取相邻机器人的位置信息，自主进行调整，直到实现控制目标。2.根据权利要求1所述的高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法，其特征在于，步骤a)包括如下步骤：a-1)定义x
i
为第i个有轨机器人在一维轨道上的位置向量，定义v
i
为第i个有轨机器人在一维轨道上的速度向量，将第i个有轨机器人的速度约束集合定位为v
i
，将第i个有轨机器人的饱和约束集合定义为u
i
；a-2)根据公式计算得到第i个有轨机器人所受的运行阻尼向量r
i
，式中c0为摩擦力常数项，为横滚阻力和轨道坡度阻力，为阻力系数，c
v
为常数系数，δc
v
为有界浮动系数，0＜δc
v
＜β1，β1为上界，为上界，为空气阻力，为阻力系数，c
a
为常数系数，δc
a
为有界浮动系数，0＜δc
a
＜β2，β2为上界，a-3)通过公式计算得到第i个有轨机器人的速度饱和约束算子式中为速度约束区间的上限值，为速度约束区间的下限值，通过公式计算得到第i个有轨机器人的控制输入饱和
约束算子约束算子为输入约束区间的上限值，为输入约束区间的下限值；a-4)通过公式建立有轨高速机器人系统离散时间动力学模型，k为时间序列，k为正整数，t为采样周期，u
i
为第i个有轨机器人的控制输入。3.根据权利要求2所述的高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法，其特征在于，步骤b)包括如下步骤：b-1)通过公式建立一致性控制目标，式中x
j
为第j个有轨机器人在一维轨道上的位置向量，d
ij
为第i个有轨机器人和第j个有轨机器人之间的距离，v
j
为第j个有轨机器人在一维轨道上的速度向量；b-2)通过公式建立分布式控制算法，式中u
i
(k+1)为第i个有轨机器人k+1时刻的控制输入，式中h
1i
为控制参数，h
2i
为控制参数，a
ij
为第i个有轨机器人和第j个有轨机器人之间的通信连通度，n
i
(k)为第i个有轨机器人在k时刻的邻居机器人集合；b-3)控制算法参数取值为：

技术总结
一种高速有轨机器人系统建模与分布式一致性控制方法，通过对一条运行轨道上的多机器人系统进行建模，并且设计一致性协同控制方法实现了多机器人的安全制动问题，保证了高速有轨机器人安全、高效地运行。使高速有轨机器人协同控制主要是通过对每个机器人进行动力学建模、采用分布式协同控制算法，保证高速有轨机器人安全、高效地运行。高效地运行。高效地运行。


技术研发人员：黄毅 孙圣懿 王佩良 高明
受保护的技术使用者：山东新一代信息产业技术研究院有限公司
技术研发日：2022.02.15
技术公布日：2022/5/25