一種基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法，由運動學(xué)的虛擬速度控制器，基于動力學(xué)的滑模力矩控制器和擾動觀測器三個部分。虛擬速度控制器包括機(jī)器人線速度和角速度的設(shè)計；滑?？刂破靼ɑＣ娴脑O(shè)計和滑?？刂坡傻脑O(shè)計；擾動觀測器用來觀測系統(tǒng)的外部擾動，來降低滑模控制器的控制量，作為前饋項引入。本發(fā)明所涉及的混合控制方法能夠使得系統(tǒng)在參數(shù)有界變化和外界擾動的情況下實現(xiàn)對機(jī)器人軌跡跟蹤控制。仿真實驗表明該發(fā)明的混合控制方法能有效地減小滑?？刂戚敵龅亩墩?，有效降低控制量的輸出，并且具有良好的魯棒性。
【專利說明】一種基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動機(jī)器人的軌跡跟蹤控制領(lǐng)域，尤其涉及到一種基于輪式移動機(jī)器 人軌跡跟蹤的混合控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 輪式移動機(jī)器人是一種將環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功 能綜合于一體的移動平臺，具備高度自規(guī)劃、自組織和自適應(yīng)能力，可在無人干預(yù)和復(fù)雜環(huán) 境下有目的地自主運動，并完成特定的作業(yè)功能。由于輪式移動機(jī)器人在物料自動搬運、特 殊人群服務(wù)、搶險救災(zāi)、未知和危險地域探索等方面應(yīng)用具有不可比擬的優(yōu)勢，已廣泛地應(yīng) 用于工農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、國防、宇宙探索等領(lǐng)域，對人類社會的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生了積極而深遠(yuǎn) 的影響。
[0003] 非完整輪式移動機(jī)器人（wheeledmobilerobot,WMR)是一種典型的多輸入多輸 出耦合欠驅(qū)動非線性系統(tǒng)，其運動控制問題極具挑戰(zhàn)性。一方面，應(yīng)當(dāng)考慮實際系統(tǒng)一些被 忽略的固有非線性特性，如摩擦、間隙、執(zhí)行器飽和等；另一方面，系統(tǒng)還會受到外界擾動以 及參數(shù)不確定性的影響，這些因素造成實際系統(tǒng)與理想數(shù)學(xué)模型出現(xiàn)較大的偏差?；诶?想數(shù)學(xué)模型所設(shè)計的控制律往往難以達(dá)到所需的控制指標(biāo)，甚至?xí)鹣到y(tǒng)不穩(wěn)定。需設(shè) 法來消除系統(tǒng)不確定性的不利影響，這給運動控制帶來了更大的挑戰(zhàn)。因此，解決復(fù)雜情況 下非完整輪式移動機(jī)器人的運動控制問題具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。
[0004] 滑?？刂谱鳛橐环N變結(jié)構(gòu)控制方法，當(dāng)系統(tǒng)運動狀態(tài)到達(dá)滑模面上時，對系統(tǒng)參 數(shù)的不確定性以及外界干擾有著很強(qiáng)的魯棒性。（張鑫，劉鳳娟，聞茂德.基于動力學(xué)模 型的輪式移動機(jī)器人自適應(yīng)滑模軌跡跟蹤控制[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù).2012(01))采用自適 應(yīng)滑模控制算法，實現(xiàn)機(jī)器人軌跡跟蹤。但對于較大擾動滑?？刂茣鹣到y(tǒng)的抖振，本發(fā) 明結(jié)合擾動觀測器，以降低外部擾動帶來的抖振問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是給出一種能夠在輪式移動機(jī)器人控制系 統(tǒng)存在參數(shù)擾動和外界干擾的情況下進(jìn)行軌跡跟蹤控制。
[0006] 技術(shù)方案：本發(fā)明采用如下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題：設(shè)計了一種基于輪式移 動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法，包括如下具體步驟：
[0007] 步驟（1):對軌跡模型和機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，建立具有非完整性約束的移 動機(jī)器人運動學(xué)模型和動力學(xué)模型；
[0008] 步驟（2):利用單目攝像頭獲取軌跡，結(jié)合步驟（1)所推導(dǎo)的運動學(xué)模型，確定機(jī) 器人要實現(xiàn)軌跡跟蹤虛擬線速度和角速度控制器v。，w。；
[0009] 步驟（3):利用光電編碼器獲取機(jī)器人兩輪的角速度圮，4 *根據(jù)轉(zhuǎn)換公式計算實 際的機(jī)器人線速度和角速度V，w;計算步驟（2)中獲得的虛擬速度和角速度與實際速度和 角速度的偏差·?，#;
[0010] 步驟⑷：根據(jù)步驟⑶中的f,#選擇合適的滑模面S;
[0011] 步驟（5):根據(jù)步驟（4)中的滑模面S確定移動機(jī)器人左右輪驅(qū)動電機(jī)的力矩控 制量（τητ2)τ ;
[0012] 步驟（6):根據(jù)步驟（5)的（T1,τ2)τ和當(dāng)前的機(jī)器人實際速度v，w設(shè)計干擾觀測 器并進(jìn)行相應(yīng)的前饋補(bǔ)償，減小系統(tǒng)抖振。
[0013] 作為本發(fā)明的第一個改進(jìn)，步驟（4)中所選擇的滑膜面為：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟（1):對軌跡模型和機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，建立具有非完整性約束的移動機(jī) 器人運動學(xué)模型和動力學(xué)模型； 步驟（2):利用單目攝像頭獲取軌跡，結(jié)合步驟（1)所推導(dǎo)的運動學(xué)模型，確定機(jī)器人 要實現(xiàn)軌跡跟蹤虛擬線速度和角速度控制器v。，w。； 步驟（3):利用光電編碼器獲取機(jī)器人兩輪的角速度，根據(jù)轉(zhuǎn)換公式計算實際的 機(jī)器人線速度和角速度ν，w;計算步驟（2)中獲得的虛擬速度和角速度與實際速度和角速 度的偏差匕#; 步驟（4):根據(jù)步驟（3)中的Ρ，#選擇合適的滑模面S; 步驟（5):根據(jù)步驟（4)中的滑模面S確定移動機(jī)器人左右輪驅(qū)動電機(jī)的力矩控制量 (τI,τ2)Τ ； 步驟（6):根據(jù)步驟（5)的（τι，τ2)τ和當(dāng)前的機(jī)器人實際速度v，w設(shè)計干擾觀測器并 進(jìn)行相應(yīng)的前饋補(bǔ)償，從而減小系統(tǒng)抖振。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法，其特征在 于，所述步驟⑶中所選擇的為：
其中K分別為期望線速度和角速度，^，I，Θe為機(jī)器人的實際位姿與期望軌跡的 位姿偏差，ki,k2是正常數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法，其特征在 于，所述步驟（4)中所選擇的滑模面為：
式中，S1,S2為滑模面，Cl，C2 >O為滑模系數(shù)，t定義為實際變量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法，其特征在 于，所述步驟（5)中所選擇T1,τ2為：
其中T1,τ2為左右輪的控制力矩，用來驅(qū)動左右輪產(chǎn)生相應(yīng)的速度仰是機(jī)器人質(zhì)量，I機(jī)器人轉(zhuǎn)動慣量，k3,k4是可設(shè)定的增益，sgn(Si)是關(guān)于滑模面Si的符號函數(shù)；分別 是左右輪的外加擾動€的觀測器估計值。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于輪式移動機(jī)器人軌跡跟蹤的混合控制方法，其特征在 于,所述步驟（6)中所選擇的針對通用模型0=/ +g,M+g#的干擾觀測器為：
其中，外加擾動源滿足= ;其中E是一個頻率矩陣["〇ll，?是擾動頻率; [d =Iiξ L-靜〇 Ρ(α)是需要設(shè)計的非線性函數(shù)，/ = 4#是非線性干擾觀測器的增益；通過調(diào)節(jié)1可以決 5α 定觀測器的收斂速度。
【文檔編號】G05D1/02GK104317299SQ201410631147
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】翟軍勇, 黃大偉, 艾偉清, 費樹岷 申請人:東南大學(xué)