كنترل مشاركتي ‌‌بهينه براي تشكيل آرايش ربات‌هاي‌ متحرك خودگردان در محيط‌هاي پويا

Optimal Cooperative Control for Formation of Autonomous Mobile Robots in Dynamic Environments

در اين مقاله كنترل‌كننده‌اي بهينه براي تشكيل آرايش گروهي ربات‌هاي متحرك خودگردان رهبر-پيرو در محيط‌ پويا طراحي شده است. كنترل آرايش ربات‌هاي متحرك خودگردان يكي از مسائل مهم در حركت گروهي و رفتار مشاركتي سيستم‌هاي چندعاملي است كه چالش‌ و محدوديت‌‌هاي محيط‌‌ پوياي ناشناخته بر پيچيدگي‌هاي كنترلي آن افزوده است. از موضوعات مهمي كه در حركت هماهنگ و كنترل آرايش سيستم‌هاي چندعاملي مد نظر قرار مي‌گيرد، مسئله اجتناب از برخورد عوامل با موانع و همچنين با يكديگر مي‌باشد كه در اين پژوهش نيز روشي براي آن معرفي شده است. در اين مقاله با رويكرد مبتني بر رفتار براي هر يك از رفتارهاي مطلوب نظر مانند تشكيل آرايش هندسي، تعقيب مسير و اجتناب از برخورد، تابع هزينه‌اي تعريف شده و معادله ديناميك خطاي آرايش به عنوان قيد مسئله در نظر گرفته شده است. هدف طراحي يك قانون كنترلي بهينه براي آرايش‌ گروهي ربات‌ها به نحوي است كه در محدوديت‌ها و قيود صدق كرده و در ضمن معيار معيني را حداقل نمايد. نتايج شبيه‌سازي،‌ كارايي كنترل‌كننده‌ي طراحي‌‌شده را به ‌خوبي نشان مي‌دهد.

This paper is concerned with the optimal formation control for the coordinated motion of a group of leader-follower mobile robots with consideration of the obstacle/collision avoidance. Formation control of mobile robots is one of the most important aspects in group behavior of multi-agent systems. Challenges and constraints of unknown dynamic environments further complicate the control process of such systems. In this study, for each of the desired behaviors including geometrical formation, trajectory tracking, and obstacle/collision avoidance, a cost function and a formation error dynamic equation are defined as constraints. The present research study approaches the problem by integrating optimal trajectory-following control schemes with the method of reaction navigation for obstacle/collision avoidance. For this purpose, each obstacle involves a limit cycle of a circle. Moreover, when the collision or clash of one mobile robot with the obstacles in the surrounding environment is detected, an obstacle avoidance algorithm is activated to prevent the collision. The same algorithm also applies to collision avoidance between all the robots in the group. Another contribution of the present paper is to find a control law for the robots applicable to the whole constraints and limits of the problem while minimizing certain parameters. The present research study also presents a stability analysis of the feasible formation. The simulation results illustrate the effectiveness and efficient performance of the optimal control law design with respect to the desired behaviors.