一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域。其步驟為：根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人的能耗特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮機(jī)器人巡航時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)能耗優(yōu)化，構(gòu)建電機(jī)能耗模型；根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤的特點(diǎn)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及跟蹤誤差模型，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)跟蹤子控制器；根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和電機(jī)能耗模型之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制，構(gòu)建其關(guān)聯(lián)模型；最后得到節(jié)能子控制器，從而獲得一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人整個(gè)過(guò)程的高精度、低能耗控制及系統(tǒng)全局穩(wěn)定性，使它在進(jìn)行精確軌跡跟蹤的同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量最優(yōu)化。
【專利說(shuō)明】一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明主要涉及移動(dòng)機(jī)器人的控制領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于輪式移動(dòng)機(jī)器人的 軌跡跟蹤控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人能力的大小與規(guī)模是一個(gè)國(guó)家科技水平的象征，因此世界各國(guó)的研宄機(jī)構(gòu) 都非常重視這方面的研宄工作。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支，隨著計(jì)算機(jī)、人工 智能、機(jī)械電子以及自動(dòng)化等技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研宄進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。 常見(jiàn)的移動(dòng)機(jī)器人有輪式、履帶式、腿式和蜿蜒式等幾種類型，其中輪式移動(dòng)機(jī)器人由于其 悠久的歷史與成熟的設(shè)計(jì)，在實(shí)際應(yīng)用中最為常見(jiàn)。
[0003] 軌跡跟蹤控制是輪式移動(dòng)機(jī)器人研宄的基礎(chǔ)性問(wèn)題，是智能化技術(shù)的核心，因此 提高輪式移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制性能對(duì)于提高機(jī)器人自動(dòng)化水平具有重要的理論意 義和實(shí)用價(jià)值；另一方面，目前大多數(shù)的輪式移動(dòng)機(jī)器人都使用蓄電池提供能量，由于電池 技術(shù)的局限，機(jī)器人使用時(shí)間十分有限。因此，如何有效地使用有限的電池能量，延長(zhǎng)其運(yùn) 行時(shí)間成為一個(gè)至關(guān)重要的課題。雖然目前有關(guān)輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制的研宄前人 已取得了許多重要研宄成果，控制方法涵蓋了反演控制、滑?？刂?、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 控制、模糊控制等。然而，基于節(jié)能考慮同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)既定軌跡的準(zhǔn)確跟 蹤的控制問(wèn)題至今仍未能得到很好的解決。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明提供一種 基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，主要考慮輪式移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械能 耗，建立能耗模型并將其與輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型有效融合，建立關(guān)聯(lián)模型，設(shè)計(jì)一個(gè) 有效的速度控制策略，從而有效減少能耗損耗，提高能量利用效率，實(shí)現(xiàn)基于節(jié)能考慮的輪 式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制。
[0005] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0006] 一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，其步驟為：
[0007] (1)根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人的能耗特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮機(jī)器人巡航時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)能耗優(yōu) 化，構(gòu)建電機(jī)能耗模型；
[0008] (2)根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤的特點(diǎn)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及跟蹤誤差模型，設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)學(xué)跟蹤子控制器；
[0009] (3)根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和電機(jī)能耗模型之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制，構(gòu)建其關(guān)聯(lián)模型；
[0010] (4)設(shè)計(jì)節(jié)能子控制器，獲得一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制 策略。
[0011] 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：
[0012] (a)由路徑規(guī)劃算法給出當(dāng)前時(shí)刻的輪式移動(dòng)機(jī)器人參考位姿匕=[X^LΘJT 和參考速度Cl·= ?JT;由輪式移動(dòng)機(jī)器人定位模塊反饋得到當(dāng)前時(shí)刻的輪式移動(dòng)機(jī)器 人當(dāng)前實(shí)際位姿Pc=[xyθ]τ;比較!^與!)。可得到輪式移動(dòng)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系{Χ-0-Υ} 下的位姿誤差矢量，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T轉(zhuǎn)換得到局部坐標(biāo)系（XciX-YJ下的位姿誤差矢 量Pe=[XeYe0JT;
[0013] (b)上步中的誤差矢量Pe和參考速度L一起作為輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)跟蹤子 控制器的輸入，輸出期望速度控制率qd= [vd ?d]T;
[0014] (c)進(jìn)入一個(gè)節(jié)能子控制器進(jìn)行能量?jī)?yōu)化處理。由于輪式移動(dòng)機(jī)器人的巡游過(guò)程 是機(jī)器人能耗的關(guān)鍵，故本發(fā)明僅考慮前進(jìn)線速度Vd的節(jié)能優(yōu)化，通過(guò)一個(gè)節(jié)能子控制器 尋找一個(gè)考慮節(jié)能的最優(yōu)跟蹤速度V/，使對(duì)于任意初始誤差Pe(t= 0)，系統(tǒng)在該最優(yōu)控制 輸入q/= [ν/ω」τ的作用下實(shí)現(xiàn)誤差矢量!^=[Xeye 0JT有界且|i^Pe= 0,同時(shí)系統(tǒng) 機(jī)械能耗有最小值，即找到解析解v/最小化節(jié)能目標(biāo)函數(shù)。因此本發(fā)明最終提供的基于節(jié) 能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制律為q/= [v/ ?d]T。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)：
[0016] 所述輪式移動(dòng)機(jī)器人采用一種三輪式結(jié)構(gòu)，其前輪既是轉(zhuǎn)向輪又是驅(qū)動(dòng)輪，分別 由一個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。x、y和0分別表不輪式移動(dòng)機(jī)器人位置坐標(biāo)和車 體方位角；輪式移動(dòng)機(jī)器人的當(dāng)前實(shí)際位姿表示為Pc；(t) = [X(t)Ht)θα)]Τ，由路徑規(guī) 劃算法給出的參考位姿表示為pr(t) = [xr(t)yr(t) 0r(t)]T;位姿誤差為Pe(t) = [xe(t) ye(t)Θe(t)]T;v和ω表示車體前進(jìn)線速度和旋轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)速，因此當(dāng)前時(shí)刻車體實(shí)際速度表 示為q(t) = [v(t) ?(t)]T，參考速度為qr(t) = [vr(t) ?r(t)]T。此外，前輪半徑、前輪 轉(zhuǎn)向角、前輪角速度及前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)角速度分別用r、β、〇^及ωπ表示。
[0017] 所述電機(jī)能耗模型為：
[0018] 設(shè)輪式移動(dòng)機(jī)器人的前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有電樞電阻為Ra，反電勢(shì)常數(shù)Kb，扭矩常數(shù) Kt，磁滯摩擦系數(shù)fv，齒輪減速比i，電池電壓為Vs，設(shè)Ua為電機(jī)輸入電壓，u為控制輸入且u =Ua/Vs，〇￥與ωm關(guān)系可表示為ωm=icow。由于電路響應(yīng)比機(jī)械響應(yīng)快很多，因此本發(fā) 明忽略電樞電路的電感，從而簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方程。
[0019] 電樞等效電路電壓平衡方程式為：
[0020] Ua=IaRa+Eb (1)
[0021] 式中Ua=VsU為電機(jī)輸入電壓，Eb=Kbi〇w為反電動(dòng)勢(shì)，Ia為電樞電流。
[0022] 對(duì)于時(shí)間間隔te「tnU可知電機(jī)能耗方程為：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，步驟為： (1) 根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人的能耗特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮機(jī)器人巡航時(shí)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)能耗優(yōu)化，構(gòu) 建電機(jī)能耗模型； (2) 根據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤的特點(diǎn)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及跟蹤誤差模型，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng) 學(xué)跟蹤子控制器； (3) 根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和電機(jī)能耗模型之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)機(jī)制，構(gòu)建其關(guān)聯(lián)模型； (4) 設(shè)計(jì)節(jié)能子控制器，獲得一種基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制策略。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，其特征 在于，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為： (a) 由路徑規(guī)劃算法給出當(dāng)前時(shí)刻的輪式移動(dòng)機(jī)器人參考位姿匕=[Xfh0JT和參 考速度由輪式移動(dòng)機(jī)器人定位模塊反饋得到當(dāng)前時(shí)刻的輪式移動(dòng)機(jī)器人當(dāng) 前實(shí)際位姿 Pc=[xy 0 ] T;比較與p。可得到輪式移動(dòng)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系{X-0-Y}下 的位姿誤差矢量，再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣T轉(zhuǎn)換得到局部坐標(biāo)系{X^C-YJ下的位姿誤差矢量 Pe= [X e ye 9e]T； (b) 上步中的誤差矢量pe和參考速度cu-起作為輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)跟蹤子控制 器的輸入，輸出期望速度控制率qd= [Vd ?d]T; (c) 進(jìn)入一個(gè)節(jié)能子控制器進(jìn)行能量?jī)?yōu)化處理。由于輪式移動(dòng)機(jī)器人的巡游過(guò)程是機(jī) 器人能耗的關(guān)鍵，故本發(fā)明僅考慮前進(jìn)線速度vd的節(jié)能優(yōu)化，通過(guò)一個(gè)節(jié)能子控制器尋找 一個(gè)考慮節(jié)能的最優(yōu)跟蹤速度v/，使對(duì)于任意初始誤差(t= 0)，系統(tǒng)在該最優(yōu)控制輸入 q/= [v，《d]T的作用下實(shí)現(xiàn)誤差矢量1^= [xeye 9JT有界且勝*^0,同時(shí)系統(tǒng)機(jī)械能 耗有最小值，即找到解析解v/最小化節(jié)能目標(biāo)函數(shù)。因此本發(fā)明最終提供的基于節(jié)能考慮 的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制律為q/= [v/ ?d]T。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，其特征 在于，所述電機(jī)能耗模型為： 設(shè)輪式移動(dòng)機(jī)器人的前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有電樞電阻為Ra，反電勢(shì)常數(shù)Kb，扭矩常數(shù)Kt，磁 滯摩擦系數(shù)fv，齒輪減速比i，電池電壓為Vs，設(shè)Ua為電機(jī)輸入電壓，u為控制輸入且u=Ua/ Vs，《￥與《m關(guān)系可表示為《 m=i?w。由于電路響應(yīng)比機(jī)械響應(yīng)快很多，因此本發(fā)明忽略 電樞電路的電感，從而簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)方程。 電樞等效電路電壓平衡方程式為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，其特征 在于，所述輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及關(guān)聯(lián)模型為： 輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：
故要使輪式移動(dòng)機(jī)器人能準(zhǔn)確跟蹤參考軌跡則必須滿足關(guān)于的狀態(tài)約束：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，其特征 在于，所述基于節(jié)能考慮的輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制策略為： 該控制問(wèn)題本質(zhì)上屬于解決有約束的多變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。整理上述節(jié)能目標(biāo)函數(shù)（7)和 控制約束（8)、系統(tǒng)狀態(tài)方程（11)及狀態(tài)約束（19)，得到如下優(yōu)化模型：
能耗最小化的獲得可以表示為一個(gè)最小值的搜索問(wèn)題，可用遺傳算法來(lái)解決。設(shè)搜索 出的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為《/，則能量最優(yōu)車體線速度為v/= ?/rcos0。結(jié)合式（17)中 運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)出的車體角速度，最后得到考慮節(jié)能的軌跡跟蹤最優(yōu)控制速度率為：
【文檔編號(hào)】G05D1/02GK104483967SQ201410669231
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月11日
【發(fā)明者】尹曉紅, 楊燦, 周武, 闞君武, 吳金洪 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)