KR101981641B1 - Method and system for formation control of multiple mobile robots - Google Patents

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KR101981641B1 KR1020120156493A KR20120156493A KR101981641B1 KR 101981641 B1 KR101981641 B1 KR 101981641B1 KR 1020120156493 A KR1020120156493 A KR 1020120156493A KR 20120156493 A KR20120156493 A KR 20120156493A KR 101981641 B1 KR101981641 B1 KR 101981641B1
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Abstract

본 발명은 다중 이동 로봇의 대형 제어 방법에 관한 것으로서, 이 방법은 가상 리더를 설정하고, 최소 시간 속도 프로파일 및 참조 속도 프로파일을 구축하며, 다중 이동 로봇 및 가상 리더의 분포 운동학 방정식 및 에러 방정식을 산출한 후 제어 입력을 산출한다.The present invention relates to a large control method of a multi-mobile robot, in which a virtual reader is set up, a minimum time velocity profile and a reference velocity profile are constructed, and a distribution kinematic equation and an error equation of a multi- And the control input is calculated.

Description

다중 이동 로봇의 대형 제어 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR FORMATION CONTROL OF MULTIPLE MOBILE ROBOTS}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a multi-

본 발명은 다중 이동 로봇의 대형 제어 방법 및 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a large-sized control method and system for a multi-mobile robot.

최근의 로봇 공학은 다중 로봇을 사용한 작업의 협력 실행이 로봇의 연구의 초점이었다. 단일 로봇의 경우에 비하여 협력 다중 로봇은 작업 실행에서의 높은 유연성과 견고성뿐 아니라 타겟 작업의 폭 넓은 다양성을 제공한다.In recent robotics, cooperative execution of work using multiple robots was the focus of robot research. Compared to the case of a single robot, the cooperative multiple robots provide a wide variety of target tasks as well as high flexibility and robustness in task execution.

감시는 한 팀의 협력 다중 로봇들이 응용될 수 있는 로봇 작업의 전형적인 예이다. 감시 작업에서 다중 로봇은 침입자를 추적하고 물리쳐야 한다. 침입자의 속도가 다중 로봇의 각 구성원보다 빠르게 되면, 침입자를 공격하는 임무는 협력 다중 로봇을 침입자 주변으로 타겟 대형을 이루도록 제어하지 않고서는 달성하기 어렵다. 이러한 경우에 타겟 객체의 속도가 일반적으로 알려져 있지 않으므로 타겟 추적 및 대형 제어는 더욱 중요하다. 또 다른 과제는 제한되거나 전혀 없는 통신 링크를 가지고 온보드 센서로부터의 국지 정보에 기초하여 각 로봇이 추적 및 대형 제어를 수행해야 하는 경우와 같이 광역 정보의 부족으로 인해 발생한다.Surveillance is a typical example of robotic work in which a team's multi-robots can be applied. In surveillance work, multiple robots must track and defeat the intruder. If the speed of the intruder is faster than each member of the multiple robots, the task of attacking the intruder is difficult to accomplish without controlling the cooperation of multiple robots to the target formation around the intruder. In this case, target tracking and large control are more important because the speed of the target object is not generally known. Another challenge is due to lack of wide area information, such as when each robot has to perform tracking and large control based on local information from the onboard sensors with limited or no communication link.

다중 이동 로봇의 타겟 추적 및 대형 제어에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 협력 타겟 추적 및 로봇 상호간의 대형은 타겟 및/또는 인접 이동 로봇에 대하여 원하는 상대 위치로 각 이동 로봇을 조종함으로써 이루어진다. 리더가 없는 다중 로봇의 형성 제어를 위한 주기적 추적 전략에 관한 많은 연구가 이루어져 왔다. 이러한 연구들은 참조 타겟 위치 데이터의 획득과 인접한 로봇 사이의 제어 데이터의 상호 교환을 가정한다. 한편, 리더-팔로어(leader-follower) 기반 제어 방법은 리더에 대하여 제한된 내부 모양을 생성하도록 팔로어 로봇을 조종함으로써 원하는 그룹 대형을 달성하는 방향으로 개발되어 왔다.Much research has been conducted on target tracking and large - scale control of multiple mobile robots. In general, cooperative target tracking and large-scale mutual robots are achieved by controlling each mobile robot to a desired relative position with respect to a target and / or an adjacent mobile robot. Many researches have been made on the periodic tracking strategy for controlling the formation of multiple robots without a leader. These studies assume the acquisition of reference target position data and the exchange of control data between adjacent robots. On the other hand, a leader-follower-based control method has been developed to achieve the desired group formation by manipulating the follower robot to generate a limited inner shape for the leader.

KRKR 10-2010-003553110-2010-0035531 AA

이동물체 추적을 위한 이동로봇의 대형제어, The Transaction of the Korean Institute of Electrical Engineers v.60 no.4, 2011Large-scale control of mobile robot for moving object tracking, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers v.60 no.4, 2011

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이동 로봇 한 팀이 네비게이션 동안 원하는 대형을 이루면서 최소 시간 내에 일련의 타겟 위치를 방문할 수 있도록 하는 다중 이동 로봇의 대형 제어 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a large-sized control method and system for a multi-mobile robot that enables a team of mobile robots to visit a series of target positions within a minimum time while forming a desired size during navigation.

본 발명의 실시예에 따른 다중 이동 로봇의 대형 제어 방법은 가상 리더를 설정하는 단계, 상기 가상 리더의 최소 시간 속도 프로파일을 구축하는 단계, 상기 가상 리더의 참조 속도 프로파일을 구축하는 단계, 상기 다중 이동 로봇 및 상기 가상 리더의 분포 운동학 방정식을 산출하는 단계, 상기 가상 리더와 상기 다중 이동 로봇의 에러 방정식을 산출하는 단계, 그리고 상기 에러 방정식에 기초하여 제어 입력을 산출하는 단계를 포함한다.A large-scale control method of a multi-mobile robot according to an embodiment of the present invention includes a step of setting a virtual reader, a step of constructing a minimum time velocity profile of the virtual reader, a step of constructing a reference velocity profile of the virtual reader, Calculating a distribution kinematic equation of the robot and the virtual reader, calculating an error equation of the virtual reader and the multi-mobile robot, and calculating a control input based on the error equation.

본 발명에 의하면 거리 및 방향 센서가 없고 로봇들 간에 정보를 교환할 수 없더라도 다중 이동 로봇이 원하는 대형을 이룰 수 있으며, 일련의 타겟 위치를 방문할 수 있다.According to the present invention, even if there is no distance and direction sensor and information can not be exchanged between the robots, the multiple mobile robots can achieve a desired size and can visit a series of target positions.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 이동 로봇을 대형 제어하는 방법이 적용되는 시스템의 일 예를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 이동 로봇을 제어하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법에서 이동 로봇과 방문 위치의 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법에서 이동 로봇과 가상 리더의 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 최소 시간 속도 프로파일을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 최소 시간 대형 제어를 위한 참조 속도 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법을 적용한 실험 결과를 도시한 도면이다.
FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a system to which a method for controlling a large-sized mobile robot according to an embodiment of the present invention is applied.
2 is a flowchart illustrating a method of controlling a multiple mobile robot according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic view for explaining a relationship between a mobile robot and a visiting position in a large control method according to an embodiment of the present invention.
4 is a schematic view for explaining a relationship between a mobile robot and a virtual reader in a large control method according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a minimum time velocity profile of a mobile robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a reference velocity profile for minimum time-and-size control according to an embodiment of the present invention.
7 to 10 are graphs showing experimental results using a large control method according to an embodiment of the present invention.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms and the inventor may appropriately define the concept of the term in order to best describe its invention It should be construed as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, various equivalents And variations are possible.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 이동 로봇을 대형 제어하는 방법이 적용되는 시스템의 일 예를 설명하기 위해 참조되는 도면이다. 도 1에서는 설명의 편의상, 하나의 이동 로봇을 도시하고 있으나, 본 발명은 복수의 이동 로봇을 대형 제어하는 데 적용된다.FIG. 1 is a diagram for explaining an example of a system to which a method for controlling a large-sized mobile robot according to an embodiment of the present invention is applied. Although FIG. 1 shows one mobile robot for the sake of convenience, the present invention is applied to a large-sized control of a plurality of mobile robots.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 시스템은 이동 로봇(100)과, 이동 로봇(100)의 제어를 위한 로봇 제어기(200)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a system according to the present invention includes a mobile robot 100 and a robot controller 200 for controlling the mobile robot 100.

로봇 제어기(200)는 타겟 오브젝트 모델링부(201), 참조 타겟 모델링부(203), 가산기(205), 회전 매트릭스부(207), 적응 규칙 적용부(209), 속도 제어부(211), 적분기(213)를 포함할 수 있다.The robot controller 200 includes a target object modeling unit 201, a reference target modeling unit 203, an adder 205, a rotation matrix unit 207, an adaptation rule application unit 209, a velocity control unit 211, 213).

타겟 오브젝트 모델링부(201)는 타겟 오브젝트의 운동학 모델 방정식을 산출하여 대응하는 신호를 출력한다. 참조 타겟 모델링부(203)는 타겟 오브젝트의 운동학 모델 방정식을 바탕으로 타겟 오브젝트의 추적을 위한 참조 타겟 모델 방정식을 산출하고, 이에 대응하는 신호를 출력한다. 가산기(205)는 참조 타겟 모델링부(203)에서 출력되는 신호와 적분기(213)를 통해 출력되는 이동 로봇(100)의 위치 정보에 대응하는 신호를 이용하여 위치 에러를 산출한다. 회전 매트릭스부(207)는 적분기(213)를 통해 출력되는 위치 에러를 회전 변환한다.The target object modeling unit 201 calculates a kinematic model equation of the target object and outputs a corresponding signal. The reference target modeling unit 203 calculates a reference target model equation for tracking the target object based on the kinematic model equations of the target object, and outputs a corresponding signal. The adder 205 calculates the position error using the signal output from the reference target modeling unit 203 and the signal corresponding to the position information of the mobile robot 100 output through the integrator 213. [ The rotation matrix unit 207 rotates and converts the position error output through the integrator 213.

속도 제어부(211)는 회전 매트릭스부(207)와 적응 규칙 적용부(209)에서 출력되는 신호 등에 기초하여 이동 로봇(100)의 주행을 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다. 이때, 속도 제어부(211)는 적응 규칙 적용부(209)로부터 전달되는 신호와 이동 로봇(100)의 위치 및 방위각 등에 대응하는 신호 등을 포함하는 피드백 신호에 따라 제어 신호를 적응적으로 변환시킨다.The speed control unit 211 outputs a control signal for controlling the travel of the mobile robot 100 based on signals output from the rotation matrix unit 207 and the adaptation rule application unit 209. [ At this time, the speed controller 211 adaptively converts the control signal according to a feedback signal including a signal transmitted from the adaptation rule application unit 209 and a signal corresponding to the position and the azimuth angle of the mobile robot 100.

이와 같은 구성에 의해 속도 제어부(211)에서 출력되는 제어 신호는 이동 로봇(100)으로 전달되고, 이동 로봇(100)은 수신한 제어 신호에 따라 군집 주행하여, 타겟 오브젝트를 군집 추적 및 포획할 수 있다.According to this configuration, the control signal output from the speed control unit 211 is transmitted to the mobile robot 100, and the mobile robot 100 is allowed to cluster and traverse the target object in accordance with the received control signal have.

본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법으로서 참조 모델 기반의 동적 제어 방식은 다중 이동 로봇의 협력 타겟 추적을 위하여 적용될 수 있다. 본 실시예에서 참조 모델은 각 이동 로봇을 위한 가상 리더로서 역할을 수행한다. 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법은 두 개의 제어 알고리즘을 포함한다. 하나는 참조 모델의 가상 타겟에 대한 상대 거리 제어이고 다른 하나는 방향각 제어이다. 각 이동 로봇에 대한 참조 모델은 해당 이동 로봇에서 타겟으로의 연결 라인에 정렬된 방향과 실제로 동일한 위치에 있는 가상 타겟으로 정의된다. 각 이동 로봇에 할당된 참조 모델에서 분산 제어 규칙은 가상 타겟에 대하여 측정된 상대 거리 및 방향각 정보만을 사용하여 설계된다. 이러한 방식에 의하면 글로벌 위치 데이터 수집 및 이동 로봇 사이의 통신 링크가 없더라도 대형 제어를 달성할 수 있다. 또한 이동 로봇이 타겟의 절대 위치나 이동 속도를 모르더라도 타겟을 포획할 수 있다.As a large control method according to an embodiment of the present invention, a reference model-based dynamic control scheme can be applied for cooperative target tracking of multiple mobile robots. In this embodiment, the reference model serves as a virtual reader for each mobile robot. The large control method according to the embodiment of the present invention includes two control algorithms. One is the relative distance control for the virtual target of the reference model and the other is the direction angle control. The reference model for each mobile robot is defined as a virtual target at a position substantially the same as the direction aligned with the connection line from the mobile robot to the target. In the reference model assigned to each mobile robot, the distributed control rule is designed using only the relative distance and direction angle information measured for the virtual target. According to this method, even if there is no communication link between the global position data collection and the mobile robot, large control can be achieved. Also, the target can be captured even if the mobile robot does not know the absolute position or moving speed of the target.

그러면 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.Hereinafter, a large control method according to an embodiment of the present invention will be described in more detail.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 다중 이동 로봇을 제어하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a method of controlling a multiple mobile robot according to an embodiment of the present invention.

먼저 n개의 2-자유도 바퀴형(wheeled) 이동 로봇은 다음 [수학식 1]과 같이 표현된다.First, n 2-degree-of-freedom wheeled mobile robots are expressed by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112012109095540-pat00001
Figure 112012109095540-pat00001

여기서

Figure 112012109095540-pat00002
는 각각 i 번째 로봇의 최대 속도 및 최대 가속도이다. 예를 들어 DC 모터로 구동되는 이동 로봇의 최대 속도는 DC 모터의 최대 RPM과 기어 비에 의존하고, 최대 가속도는 모터 토크와 로봇의 유효 관성(effective inertia)에 의존한다.here
Figure 112012109095540-pat00002
Is the maximum speed and maximum acceleration of the i-th robot, respectively. For example, the maximum speed of a mobile robot driven by a DC motor depends on the maximum RPM and gear ratio of the DC motor, and the maximum acceleration depends on the motor torque and the effective inertia of the robot.

각 로봇의 운동학 모델은 다음 [수학식 2]와 같이 표현된다.The kinematic model of each robot is expressed by the following equation (2).

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112012109095540-pat00003
Figure 112012109095540-pat00003

여기서

Figure 112012109095540-pat00004
Figure 112012109095540-pat00005
에 대하여,
Figure 112012109095540-pat00006
,
Figure 112012109095540-pat00007
Figure 112012109095540-pat00008
,
Figure 112012109095540-pat00009
이다. 이때,
Figure 112012109095540-pat00010
는 전역 참조 좌표계(global reference coordinate frame)
Figure 112012109095540-pat00011
에서 i 번째 이동 로봇의 자세를 나타내고,
Figure 112012109095540-pat00012
는 선속도 및 각속도이다.
Figure 112012109095540-pat00013
는 각각 왼쪽 및 오른쪽 모터의 속도이고, (D, S)는 두 구동 바퀴의 직경과 두 모터를 연결하는 모터 축의 길이이다.here
Figure 112012109095540-pat00004
Figure 112012109095540-pat00005
about,
Figure 112012109095540-pat00006
,
Figure 112012109095540-pat00007
Figure 112012109095540-pat00008
,
Figure 112012109095540-pat00009
to be. At this time,
Figure 112012109095540-pat00010
Is a global reference coordinate frame.
Figure 112012109095540-pat00011
Represents the posture of the i-th mobile robot,
Figure 112012109095540-pat00012
Is the linear velocity and angular velocity.
Figure 112012109095540-pat00013
(D, S) are the diameters of the two drive wheels and the length of the motor shaft connecting the two motors, respectively.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법에서 이동 로봇과 방문 위치의 관계를 설명하기 위한 개략도이다.3 is a schematic view for explaining a relationship between a mobile robot and a visiting position in a large control method according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시한 것처럼, 탐색 및 추적이나 감시 임무에 대한 협력 대형 제어 문제는 다음 [수학식 3]과 같이 m개의 방문 위치를 정의함으로써 표현될 수 있다.As shown in FIG. 3, the cooperative large-scale control problem for search and tracking or monitoring tasks can be expressed by defining m visited locations as shown in the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112012109095540-pat00014
Figure 112012109095540-pat00014

여기서

Figure 112012109095540-pat00015
는 전역 참조 좌표계에서 j 번째 방문 위치이다.here
Figure 112012109095540-pat00015
Is the jth visited location in the global reference coordinate system.

L에 대한 n 로봇의 대형은 다음 [수학식 4]와 같이 정의된다.The size of n robots for L is defined as: " (4) "

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112012109095540-pat00016
Figure 112012109095540-pat00016

여기서

Figure 112012109095540-pat00017
는 도 3에 도시한 것처럼 방문 위치에 대한 i 번째 로봇의 목표 상대 거리 및 방위각이다.here
Figure 112012109095540-pat00017
Is the target relative distance and azimuth angle of the i-th robot with respect to the visited position as shown in Fig.

대형 제어의 목표는 [수학식 4]와 같은 대형 조건에 대하여 [수학식 3]의 m개 위치를 방문하도록 [수학식 1]의 n개 로봇을 조종하는 최소 시간 대형 제어 전략을 찾는 것으로 기술할 수 있다. 본 실시예에서 방문 위치는 로봇 대형의 중앙 위치에 대응하는 것으로 설명하지만 이에 한정되지 않으며 임의의 위치일 수 있다.The goal of large-scale control is to find a minimum time-scale control strategy to control n robots in [Equation 1] to visit m locations in [Equation 3] for large conditions such as [Equation 4] . In the present embodiment, the visited position corresponds to the center position of the robot formation, but is not limited thereto and may be any position.

본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법은 우선 각 이동 로봇에 대하여 각 방문 위치에서 최소 시간 속도 프로파일을 가지는 가상 리더를 설정한다(S200). 그런 후 다중 로봇이 가상 리더를 추적하도록 분포 운동학 제어 프레임워크(distributed kinematic control framework)를 적용한다.In the large control method according to the embodiment of the present invention, a virtual reader having a minimum time-velocity profile is set for each mobile robot at each visited location (S200). Then a distributed kinematic control framework is applied so that multiple robots track virtual readers.

가상 리더의 운동학 방정식은 다음 [수학식 5]와 같이 주어진다.The kinematic equation of the virtual leader is given by the following equation (5).

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112012109095540-pat00018
Figure 112012109095540-pat00018

여기서

Figure 112012109095540-pat00019
,
Figure 112012109095540-pat00020
Figure 112012109095540-pat00021
에 대하여
Figure 112012109095540-pat00022
,
Figure 112012109095540-pat00023
Figure 112012109095540-pat00024
이다.here
Figure 112012109095540-pat00019
,
Figure 112012109095540-pat00020
Figure 112012109095540-pat00021
about
Figure 112012109095540-pat00022
,
Figure 112012109095540-pat00023
Figure 112012109095540-pat00024
to be.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법에서 이동 로봇과 가상 리더의 관계를 설명하기 위한 개략도이다.4 is a schematic view for explaining a relationship between a mobile robot and a virtual reader in a large control method according to an embodiment of the present invention.

도 4에서 가상 리더는 방문 위치로 지정되고 이동 좌표계는 각 이동 로봇에 대하여 설정된다. 이 때 x-축은 로봇의 운동 방향이다.In FIG. 4, the virtual leader is designated as a visiting position and a moving coordinate system is set for each mobile robot. The x-axis is the direction of motion of the robot.

가상 리더가 설정되면 가상 리더의 최소 시간 속도 프로파일을 구축하고(S210) 다중 로봇이 대형을 유지하면서 리더를 따르게 한다.When the virtual reader is set, a minimum time velocity profile of the virtual reader is established (S210), and the multiple robots follow the leader while maintaining the large size.

도 4에 도시 된 바와 같이,

Figure 112012109095540-pat00025
Figure 112012109095540-pat00026
는 대형 제어에 사용될 수 있다. 즉, 각 이동 로봇은 전역 참조 좌표계에 대하여 절대 선수각(absolute heading angle)과 함께 방위각 및 가상 리더에 대한 이동 좌표의 원점으로부터 상대적 거리를 측정 할 수 있다.As shown in Figure 4,
Figure 112012109095540-pat00025
and
Figure 112012109095540-pat00026
Can be used for large-scale control. That is, each mobile robot can measure a relative distance from an origin of a moving coordinate to an azimuth and a virtual leader together with an absolute heading angle with respect to a global reference coordinate system.

그러면 원하는 방식으로 다중 이동 로봇을 조종할 수 있는 시간 최적 대형 제어 방법에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.Then, the time optimal large control method capable of controlling the multiple mobile robots in a desired manner will be described in more detail.

첫 번째로 다중 로봇의 중앙에 위치하는 가상 리더에 대한 최소 시간 속도 프로파일을 구축하는 방법에 대하여 설명한다.First, a method for constructing a minimum time velocity profile for a virtual reader located at the center of multiple robots will be described.

속도 프로파일 설계에서 이동 로봇의 능력은 대형 제어를 하는 동안 그룹 움직임을 동기화할 수 있는 것으로 간주된다. 물론 각 이동 로봇의 능력은 상이하다. 가상 리더 주위로 동기화된 대형 제어에 대하여 고려해야 하는 첫 번째는 로봇의 빠르기이다.The ability of a mobile robot in speed profile design is considered to be able to synchronize group movement during large control. Of course, the capabilities of each mobile robot are different. The first thing to consider for a large control synchronized around a virtual reader is the speed of the robot.

이동 로봇 Ri의 빠르기는 다음 [수학식 6]과 같이 두 방문 위치 사이의 거리를 이동하는 데 드는 최소 시간 지표로 표현될 수 있다.The pace of the mobile robot R i can be expressed by a minimum time index required for moving the distance between two visited positions as shown in Equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112012109095540-pat00027
Figure 112012109095540-pat00027

여기서

Figure 112012109095540-pat00028
는 두 개의 이웃 방문 위치 사이의 이동 거리이고,
Figure 112012109095540-pat00029
.here
Figure 112012109095540-pat00028
Is the travel distance between two neighboring visited locations,
Figure 112012109095540-pat00029
.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 최소 시간 속도 프로파일을 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a minimum time velocity profile of a mobile robot according to an embodiment of the present invention.

도 5는 [수학식 6]에 대응하는 두 개의 다른 최소 시간 속도 프로파일을 나타내는데, 이것은 이동 거리와 i 번째 로봇의 최대 속도 및 최대 가속도에 의존한다.Fig. 5 shows two different minimum time velocity profiles corresponding to [Equation 6], which depend on the travel distance and the maximum velocity and maximum acceleration of the i-th robot.

먼저 다음 [수학식 7]과 같이 각

Figure 112012109095540-pat00030
에 대하여 n 색인 사이의 최대 시간 지표를 결정한다.First, as shown in the following equation (7)
Figure 112012109095540-pat00030
The maximum time index between n indexes is determined.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112012109095540-pat00031
Figure 112012109095540-pat00031

m개의 방문 위치에 대하여 다음 [수학식 8]과 같은 m-1개의 최대 시간 지표가 존재한다.For m visited locations, there are m-1 maximum time indices such as Equation (8).

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure 112012109095540-pat00032
Figure 112012109095540-pat00032

최대-최소 시간 지표를 가지는 가상 리더의 참조 속도는

Figure 112012109095540-pat00033
에 대하여 다음과 같이 구축한다(S220).The reference speed of the virtual reader with the maximum-minimum time index is
Figure 112012109095540-pat00033
Is constructed as follows (S220).

참조 속도 프로파일은

Figure 112012109095540-pat00034
을 충족하면 다음 [수학식 9]와 같고,The reference velocity profile
Figure 112012109095540-pat00034
The following equation (9) is obtained,

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112012109095540-pat00035
Figure 112012109095540-pat00035

이와 달리

Figure 112012109095540-pat00036
을 충족하면 다음 [수학식 10]과 같고,Unlike
Figure 112012109095540-pat00036
The following equation (10) is obtained,

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure 112012109095540-pat00037
Figure 112012109095540-pat00037

그렇지 않고

Figure 112012109095540-pat00038
을 충족하면 다음 [수학식 11]과 같다.other
Figure 112012109095540-pat00038
The following equation (11) is obtained.

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure 112012109095540-pat00039
Figure 112012109095540-pat00039

여기서

Figure 112012109095540-pat00040
,
Figure 112012109095540-pat00041
,
Figure 112012109095540-pat00042
,
Figure 112012109095540-pat00043
, 그리고
Figure 112012109095540-pat00044
.here
Figure 112012109095540-pat00040
,
Figure 112012109095540-pat00041
,
Figure 112012109095540-pat00042
,
Figure 112012109095540-pat00043
, And
Figure 112012109095540-pat00044
.

각속도는 다음 [수학식 12]와 같이 정의된다.The angular velocity is defined by the following equation (12).

[수학식 12]&Quot; (12) "

Figure 112012109095540-pat00045
Figure 112012109095540-pat00045

여기서

Figure 112012109095540-pat00046
.here
Figure 112012109095540-pat00046
.

그러므로 [수학식 13]과 같이 i 번째 로봇에 있어서 m개의 방문 위치에 대한 m-1개의 최소 시간 속도 프로파일이 존재한다.Therefore, as in Equation (13), there exists m-1 minimum time-velocity profiles for m visited positions in the i-th robot.

[수학식 13]&Quot; (13) "

Figure 112012109095540-pat00047
Figure 112012109095540-pat00047

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 최소 시간 대형 제어를 위한 참조 속도 프로파일을 나타낸 도면이다. 참조 속도 프로파일이 구축된 후에 이동 로봇들이 지령된 대형을 이루면서 가상 리더를 따르는 분포 운동학 방정식을 산출한다(S230).FIG. 6 is a diagram illustrating a reference velocity profile for minimum time-and-size control according to an embodiment of the present invention. After the reference velocity profile is established, the mobile robots form a distributed formation and a distributed kinematic equation following the virtual reader is calculated (S230).

위치 추적 에러는

Figure 112012109095540-pat00048
Figure 112012109095540-pat00049
로 정의된다. 회전 변환을 이용하면 위치 에러는 이동 로봇 축 q에 대하여 다음 [수학식 14]로 표현될 수 있다.The location tracking error
Figure 112012109095540-pat00048
Figure 112012109095540-pat00049
. Using the rotation transformation, the position error can be expressed by the following equation (14) with respect to the mobile robot axis q.

[수학식 14]&Quot; (14) "

Figure 112012109095540-pat00050
Figure 112012109095540-pat00051
Figure 112012109095540-pat00050
Figure 112012109095540-pat00051

여기서

Figure 112012109095540-pat00052
,
Figure 112012109095540-pat00053
는 회전 행렬이다.here
Figure 112012109095540-pat00052
,
Figure 112012109095540-pat00053
Is a rotation matrix.

[수학식 2]의 로봇 운동학 방정식과 가상 리더의 [수학식 5]의 참조 모델을 결합하면, 에러 방정식은 다음 [수학식 15]와 같이 산출할 수 있다(S240).If the robot kinematics equation of Equation (2) is combined with the reference model of Equation (5) of the virtual reader, the error equation can be calculated as Equation (15).

[수학식 15]&Quot; (15) "

Figure 112012109095540-pat00054
Figure 112012109095540-pat00055
Figure 112012109095540-pat00054
Figure 112012109095540-pat00055

여기서

Figure 112012109095540-pat00056
Figure 112012109095540-pat00057
,
Figure 112012109095540-pat00058
.here
Figure 112012109095540-pat00056
Figure 112012109095540-pat00057
,
Figure 112012109095540-pat00058
.

거리 에러는 다음 [수학식 16]으로 정의된다.The distance error is defined by the following equation (16).

[수학식 16]&Quot; (16) "

Figure 112012109095540-pat00059
Figure 112012109095540-pat00060
Figure 112012109095540-pat00059
Figure 112012109095540-pat00060

여기서

Figure 112012109095540-pat00061
,
Figure 112012109095540-pat00062
.here
Figure 112012109095540-pat00061
,
Figure 112012109095540-pat00062
.

[수학식 14]의 에러 시스템에 따라 [수학식 15]를 미분하면 다음 [수학식 17]이 산출된다.If [Expression 15] is differentiated according to the error system of the expression (14), the following expression (17) is calculated.

[수학식 17]&Quot; (17) "

Figure 112012109095540-pat00063
Figure 112012109095540-pat00063

Figure 112012109095540-pat00064
Figure 112012109095540-pat00065
한편 도 4로부터
Figure 112012109095540-pat00066
이므로,
Figure 112012109095540-pat00067
그것은 [수학식 18]과 같이 된다.
Figure 112012109095540-pat00064
Figure 112012109095540-pat00065
On the other hand,
Figure 112012109095540-pat00066
Because of,
Figure 112012109095540-pat00067
(18).

[수학식 18]&Quot; (18) "

Figure 112012109095540-pat00068
Figure 112012109095540-pat00068

여기서

Figure 112012109095540-pat00069
는 원하는 대형에 대한 방향 에러이다.here
Figure 112012109095540-pat00069
Is the direction error for the desired formation.

그러면 새로운 에러 시스템은 다음 [수학식 19]와 같이 간결하게 기술될 수 있다.The new error system can then be described concisely as: < EMI ID = 19.0 >

[수학식 19]&Quot; (19) "

Figure 112012109095540-pat00070
Figure 112012109095540-pat00070

여기서

Figure 112012109095540-pat00071
Figure 112012109095540-pat00072
,
Figure 112012109095540-pat00073
.here
Figure 112012109095540-pat00071
Figure 112012109095540-pat00072
,
Figure 112012109095540-pat00073
.

[수학식 19]의 새로운 대형 시스템에서, 대형 추적의 제어 오브젝트는

Figure 112012109095540-pat00074
Figure 112012109095540-pat00075
에 대하여 에러 변수
Figure 112012109095540-pat00076
Figure 112012109095540-pat00077
의 점근적 조절(asymptotic regulation)로 변환된다.In the new large system of (19), the control object of the large tracking
Figure 112012109095540-pat00074
Figure 112012109095540-pat00075
The error variable
Figure 112012109095540-pat00076
Figure 112012109095540-pat00077
Asymptomatic regulation of the immune system.

분포 제어기를 유도하는데 있어서 참조 타겟 모델에 대한 가상 속도 입력

Figure 112012109095540-pat00078
은 [수학식 9] 내지 [수학식 11]의 최소 시간 속도 프로파일을 충족하는 것으로 추정한다. 그러면 제어 입력은 다음 [수학식 20]과 같이 정의되어 산출된다(S250).The virtual speed input for the reference target model in deriving the distribution controller
Figure 112012109095540-pat00078
Is estimated to satisfy the minimum time velocity profile of Equation (9) to Equation (11). Then, the control input is calculated and calculated as shown in the following equation (S250).

[수학식 20]&Quot; (20) "

Figure 112012109095540-pat00079
Figure 112012109095540-pat00079

여기서

Figure 112012109095540-pat00080
는 설계 파라미터이고,
Figure 112012109095540-pat00081
는 싱크 함수(sync function)이고,
Figure 112012109095540-pat00082
Figure 112012109095540-pat00083
,
Figure 112012109095540-pat00084
.here
Figure 112012109095540-pat00080
Is a design parameter,
Figure 112012109095540-pat00081
Is a sync function,
Figure 112012109095540-pat00082
Figure 112012109095540-pat00083
,
Figure 112012109095540-pat00084
.

투영 함수(projection function)

Figure 112012109095540-pat00085
는 작은 상수
Figure 112012109095540-pat00086
에 대하여 다음 [수학식 21]과 같이 정의된다.The projection function
Figure 112012109095540-pat00085
Is a small constant
Figure 112012109095540-pat00086
Is defined as < EMI ID = 21.0 >

[수학식 21]&Quot; (21) "

Figure 112012109095540-pat00087
Figure 112012109095540-pat00087

그러면 제어 게인

Figure 112012109095540-pat00088
는 양의 상수로 선택되며, 여기서
Figure 112012109095540-pat00089
,
Figure 112012109095540-pat00090
.Then,
Figure 112012109095540-pat00088
Is chosen as a positive constant, where
Figure 112012109095540-pat00089
,
Figure 112012109095540-pat00090
.

이것을 [수학식 19]에 적용하면 모든

Figure 112012109095540-pat00091
Figure 112012109095540-pat00092
에 대하여 다음 [수학식 22]가 산출된다.Applying this to (19)
Figure 112012109095540-pat00091
Figure 112012109095540-pat00092
The following equation (22) is calculated.

[수학식 22]&Quot; (22) "

Figure 112012109095540-pat00093
Figure 112012109095540-pat00093

여기서

Figure 112012109095540-pat00094
Figure 112012109095540-pat00095
,
Figure 112012109095540-pat00096
.here
Figure 112012109095540-pat00094
Figure 112012109095540-pat00095
,
Figure 112012109095540-pat00096
.

이러한 설정에 따르면 [수학식 19]의 제어기는 모든

Figure 112012109095540-pat00097
Figure 112012109095540-pat00098
에 대하여 수렴된다.According to this setting, the controller of Equation (19)
Figure 112012109095540-pat00097
Figure 112012109095540-pat00098
Lt; / RTI >

본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법의 타당성과 효과를 입증하기 위하여 제안된 제어 체계를 협력 대형 제어 문제에 적용하였다. 각 이동 로봇에 대하여 이상적인 속도 서보를 상정하고 실험을 수행하였다. 최대 속도 범위 안에서 로봇의 물리적 특성을 반영하기 위해, 비선형 액추에이터 모델이 다음과 같은 속도 서보 입력을 생성하는데 사용된다.In order to verify the feasibility and effectiveness of the large control method according to the embodiment of the present invention, the proposed control system is applied to the cooperative large control problem. Experiments were carried out on the assumption of ideal velocity servo for each mobile robot. To reflect the physical characteristics of the robot within the maximum speed range, a nonlinear actuator model is used to generate the following velocity servo inputs:

Figure 112012109095540-pat00099
Figure 112012109095540-pat00099

Figure 112012109095540-pat00100
Figure 112012109095540-pat00100

여기서

Figure 112012109095540-pat00101
,
Figure 112012109095540-pat00102
는 최대 속도 제한 내에 있게 된다. {
Figure 112012109095540-pat00103
,
Figure 112012109095540-pat00104
}과 {
Figure 112012109095540-pat00105
,
Figure 112012109095540-pat00106
}는 각각 i 번째 로봇의 현재 선속도/각속도 및 명목상의 최대 선가속도/각가속도이다.here
Figure 112012109095540-pat00101
,
Figure 112012109095540-pat00102
Is within the maximum speed limit. {
Figure 112012109095540-pat00103
,
Figure 112012109095540-pat00104
} And {
Figure 112012109095540-pat00105
,
Figure 112012109095540-pat00106
} Are the current linear velocity / angular velocity and the nominal maximum linear velocity / angular velocity of the i-th robot, respectively.

대형 제어 실험에 사용된 이동 로봇은 레드원 테크놀러지(주)에서 생산된 NRLAB02(최대 선속도: 1.2m/s, 최대 각속도: 0.224rad/s, 모터: BLDC(2) 최대 3000rpm)와 NRLAB04(최대 선속도: 0.9m/s, 최대 각속도: 0.169rad/s, 모터: BLDC(4) 최대 4000rpm)이다. 8개의 이동 로봇이 실험에 참여하였고, 모든 로봇은 비전 센서와 절대 방향 센서가 없으므로 각 이동 로봇에 대하여 거리와 방향각의 대략적인 계산은 GPS 센서 데이터를 사용하여 수행되었다.The mobile robot used in the large control experiment was NRLAB02 (maximum linear velocity: 1.2m / s, maximum angular velocity: 0.224 rad / s, motor: BLDC (2) maximum 3000rpm) produced by Red One Technology and NRLAB04 Linear velocity: 0.9 m / s, maximum angular velocity: 0.169 rad / s, motor: BLDC (4) maximum 4000 rpm). Eight mobile robots participated in the experiment. Since all robots have no vision sensor and no absolute direction sensor, the approximate calculation of distance and direction angle for each mobile robot was performed using GPS sensor data.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법을 적용한 실험 결과를 도시한 도면이다. 각 도면의 상단은 시뮬레이션 결과이고, 하단의 사진은 실제로 실험한 결과를 촬영한 것이다. 도 7은 마름모 대형에서 종대형으로, 도 8은 종대형에서 횡대형으로, 도 9는 종대형에서 마름모 대형으로 변하는 것을 보여준다. 각 도면에서 40초의 동작 시간 동안 대형 변화가 이루어졌으며, 대형 제어의 주기는 10ms이었다. 한편 도 10은 8개의 로봇이 초기 위치에서 최종 위치로 대형을 유지하면서 이동하는 것을 보여준다.7 to 10 are graphs showing experimental results using a large control method according to an embodiment of the present invention. The top of each figure is the simulation result, and the bottom photo shows the result of the actual experiment. Fig. 7 shows the transition from rhomboid to bell-shaped, Fig. 8 from longitudinal to lateral, and Fig. 9 from bell-shaped to rhombic. In each figure, a large change was made during the operation time of 40 seconds, and the cycle of large control was 10 ms. On the other hand, Fig. 10 shows that eight robots move while maintaining the formation from the initial position to the final position.

제어 데이터 수집을 위하여 거리 및 방향 센서 대신 GPS 센서가 사용되더라도 본 발명의 실시예에 따른 제어기는 GPS 센서 데이터의 에러 허용 오차 내에서 잘 작동한다. 이러한 실험 결과에서 알 수 있는 것처럼 본 발명의 실시예에 따른 대형 제어 방법에 의하면 다중 이동 로봇이 서로 협력하며 원하는 대형을 이룰 수 있으며, 일련의 타겟 위치를 방문할 수 있다.Although the GPS sensor is used instead of the distance and direction sensor for the control data collection, the controller according to the embodiment of the present invention operates well within the error tolerance of the GPS sensor data. As can be seen from these experimental results, according to the large control method according to the embodiment of the present invention, the multiple mobile robots cooperate with each other to achieve a desired size, and can visit a series of target positions.

본 발명의 다른 실시예는 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체를 포함한다. 이 매체는 지금까지 설명한 다중 이동 로봇의 대형 제어 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한다. 이 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 이러한 매체의 예에는 하드디스크, 플로피디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 자기-광 매체, 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 구성된 하드웨어 장치 등이 있다. 또는 이러한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.Other embodiments of the invention include a computer readable medium having program instructions for performing various computer implemented operations. This medium records a program for executing the large control method of the multiple mobile robots described so far. The medium may include program instructions, data files, data structures, etc., alone or in combination. Examples of such media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD and DVD, programmed instructions such as Floptical Disk and magneto-optical media, ROM, And a hardware device configured to store and execute the program. Or such medium may be a transmission medium, such as optical or metal lines, waveguides, etc., including a carrier wave that transmits a signal specifying a program command, data structure, or the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

이상에서 본 발명의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Figure 112012109095540-pat00107
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, And falls within the scope of the invention.
Figure 112012109095540-pat00107

100: 이동 로봇, 200: 로봇 제어기100: mobile robot, 200: robot controller

Claims (1)

다중 이동 로봇의 대형 제어 방법으로서,
가상 리더를 설정하는 단계,
상기 가상 리더의 최소 시간 속도 프로파일을 구축하는 단계,
상기 가상 리더의 참조 속도 프로파일을 구축하는 단계,
상기 다중 이동 로봇이 지령된 대형을 이루면서 상기 가상 리더를 따르도록 하는 분포 운동학 방정식을 산출하는 단계,
상기 분포 운동학 방정식, 상기 최소 시간 속도 프로파일 및 상기 참조 속도 프로파일을 결합하여 상기 다중 이동 로봇의 에러 방정식을 산출하는 단계, 그리고
상기 에러 방정식에 기초하여 제어 입력을 산출하는 단계
를 포함하며,
상기 최소 시간 속도 프로파일은 두 개의 방문 위치 사이의 이동 거리, 상기 가상 리더의 최대 속도 및 최대 가속도에 의존하여 계산되고,
상기 참조 속도 프로파일은 상기 다중 이동 로봇 각각에 대하여 최소 시간 지표 및 최대 시간 지표에 기초하여 계산되는
다중 이동 로봇의 대형 제어 방법.
As a large control method for a multi-mobile robot,
Setting a virtual reader,
Establishing a minimum time velocity profile of the virtual reader,
Establishing a reference rate profile of the virtual reader;
Calculating a distribution kinematic equation that causes the multi-mobile robot to follow the virtual reader while forming a commanded size,
Calculating an error equation of the multi-mobile robot by combining the distribution kinematic equation, the minimum time velocity profile, and the reference velocity profile; and
Calculating a control input based on the error equation
/ RTI >
Wherein the minimum time velocity profile is calculated depending on the travel distance between the two visited locations, the maximum velocity and maximum acceleration of the virtual reader,
The reference velocity profile is calculated based on the minimum time index and maximum time index for each of the multiple mobile robots
A Large Control Method for Multiple Mobile Robots.
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