43、基于人工势函数的移动机器人编队控制

基于人工势函数的移动机器人编队控制

1. 引言

在上世纪八十年代中期以前，多数研究人员认为机器人避障问题可通过规划无碰撞运动轨迹来解决。在这种方法中，控制系统的任务是让机械臂或移动平台尽可能精确地跟踪参考轨迹。规划过程通常需要较大的计算能力，且在控制过程开始前进行一次。这种解决方案在静态环境或工作空间完全可控的情况下可能有效，例如生产线上的机器人工作站，安全笼可防止人员进入机器人附近，且待加工零件的交付位置和时间是已知的。

然而，在快速发展的服务机器人领域，人类靠近机器人是常见情况；在多机器人自主系统中，独立的移动平台执行共同任务。在这些场景下，仅在轨迹规划层面实现避障可能不够，因为无法保证系统的实时响应。

Khatib 是第一个提出解决方案的研究者。他在博士论文及后续著名论文中，提议使用人工势函数（APFs）来避障（将机器人推离障碍物），同时引导机器人向目标移动（吸引）。Khatib 不仅提出了理论概念，还使用 80 年代流行的 Puma 560 机器人解决了实际问题，并使用了当时创新的机械臂和环境模拟器进行验证。值得注意的是，早在 1977 年，Laitmann 和 Skowronski 就发表了一篇论文，考虑了两个自主代理的控制，其中一个目标是避障，但该工作纯粹是理论性的。

另一类避障算法是基于调和势函数的方法。虽然 APFs 已被证明是解决避障问题的有效工具，但这种方法并非没有弱点。由于 Khatib 提出的势函数具有局部性，在某些情况下可能会出现局部极小值，这从机器人应用的角度来看是一个关键问题。

1988 年，Rimon 和 Koditschk 提出了一种解决 APFs 局部极小值问题的方法。他们提出了全局势函数，若进行适当“微