一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法
【专利摘要】本发明公开一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，由运动学的虚拟速度控制器，基于动力学的滑模力矩控制器和扰动观测器三个部分。虚拟速度控制器包括机器人线速度和角速度的设计；滑模控制器包括滑模面的设计和滑模控制律的设计；扰动观测器用来观测系统的外部扰动，来降低滑模控制器的控制量，作为前馈项引入。本发明所涉及的混合控制方法能够使得系统在参数有界变化和外界扰动的情况下实现对机器人轨迹跟踪控制。仿真实验表明该发明的混合控制方法能有效地减小滑模控制输出的抖振，有效降低控制量的输出，并且具有良好的鲁棒性。
【专利说明】一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动机器人的轨迹跟踪控制领域，尤其涉及到一种基于轮式移动机器 人轨迹跟踪的混合控制方法。
【背景技术】
[0002] 轮式移动机器人是一种将环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功 能综合于一体的移动平台，具备高度自规划、自组织和自适应能力，可在无人干预和复杂环 境下有目的地自主运动，并完成特定的作业功能。由于轮式移动机器人在物料自动搬运、特 殊人群服务、抢险救灾、未知和危险地域探索等方面应用具有不可比拟的优势，已广泛地应 用于工农业、服务业、国防、宇宙探索等领域，对人类社会的生产和生活产生了积极而深远 的影响。
[0003] 非完整轮式移动机器人（wheeledmobilerobot,WMR)是一种典型的多输入多输 出耦合欠驱动非线性系统，其运动控制问题极具挑战性。一方面，应当考虑实际系统一些被 忽略的固有非线性特性，如摩擦、间隙、执行器饱和等；另一方面，系统还会受到外界扰动以 及参数不确定性的影响，这些因素造成实际系统与理想数学模型出现较大的偏差。基于理 想数学模型所设计的控制律往往难以达到所需的控制指标，甚至会引起系统不稳定。需设 法来消除系统不确定性的不利影响，这给运动控制带来了更大的挑战。因此，解决复杂情况 下非完整轮式移动机器人的运动控制问题具有重要的理论意义和实际应用价值。
[0004] 滑模控制作为一种变结构控制方法，当系统运动状态到达滑模面上时，对系统参 数的不确定性以及外界干扰有着很强的鲁棒性。（张鑫，刘凤娟，闻茂德.基于动力学模 型的轮式移动机器人自适应滑模轨迹跟踪控制[J].机械科学与技术.2012(01))采用自适 应滑模控制算法，实现机器人轨迹跟踪。但对于较大扰动滑模控制会引起系统的抖振，本发 明结合扰动观测器，以降低外部扰动带来的抖振问题。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明所要解决的技术问题是给出一种能够在轮式移动机器人控制系 统存在参数扰动和外界干扰的情况下进行轨迹跟踪控制。
[0006] 技术方案：本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：设计了一种基于轮式移 动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，包括如下具体步骤：
[0007] 步骤（1):对轨迹模型和机器人执行机构进行分析，建立具有非完整性约束的移 动机器人运动学模型和动力学模型；
[0008] 步骤（2):利用单目摄像头获取轨迹，结合步骤（1)所推导的运动学模型，确定机 器人要实现轨迹跟踪虚拟线速度和角速度控制器v。，w。；
[0009] 步骤（3):利用光电编码器获取机器人两轮的角速度圮，4 *根据转换公式计算实 际的机器人线速度和角速度V，w;计算步骤（2)中获得的虚拟速度和角速度与实际速度和 角速度的偏差·?，#;
[0010] 步骤⑷：根据步骤⑶中的f,#选择合适的滑模面S;
[0011] 步骤（5):根据步骤（4)中的滑模面S确定移动机器人左右轮驱动电机的力矩控 制量（τητ2)τ ;
[0012] 步骤（6):根据步骤（5)的（T1,τ2)τ和当前的机器人实际速度v，w设计干扰观测 器并进行相应的前馈补偿，减小系统抖振。
[0013] 作为本发明的第一个改进，步骤（4)中所选择的滑膜面为：
【权利要求】
1. 一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤（1):对轨迹模型和机器人执行机构进行分析，建立具有非完整性约束的移动机 器人运动学模型和动力学模型； 步骤（2):利用单目摄像头获取轨迹，结合步骤（1)所推导的运动学模型，确定机器人 要实现轨迹跟踪虚拟线速度和角速度控制器v。，w。； 步骤（3):利用光电编码器获取机器人两轮的角速度，根据转换公式计算实际的 机器人线速度和角速度ν，w;计算步骤（2)中获得的虚拟速度和角速度与实际速度和角速 度的偏差匕#; 步骤（4):根据步骤（3)中的Ρ，#选择合适的滑模面S; 步骤（5):根据步骤（4)中的滑模面S确定移动机器人左右轮驱动电机的力矩控制量 (τI,τ2)Τ ； 步骤（6):根据步骤（5)的（τι，τ2)τ和当前的机器人实际速度v，w设计干扰观测器并 进行相应的前馈补偿，从而减小系统抖振。
2. 根据权利要求1所述的基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，其特征在 于，所述步骤⑶中所选择的为：
其中K分别为期望线速度和角速度，^，I，Θe为机器人的实际位姿与期望轨迹的 位姿偏差，ki,k2是正常数。
3. 根据权利要求1所述的基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，其特征在 于，所述步骤（4)中所选择的滑模面为：
式中，S1,S2为滑模面，Cl，C2 >O为滑模系数，t定义为实际变量。
4. 根据权利要求1所述的基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，其特征在 于，所述步骤（5)中所选择T1,τ2为：
其中T1,τ2为左右轮的控制力矩，用来驱动左右轮产生相应的速度仰是机器人质量，I机器人转动惯量，k3,k4是可设定的增益，sgn(Si)是关于滑模面Si的符号函数；分别 是左右轮的外加扰动€的观测器估计值。
5. 根据权利要求1所述的基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，其特征在 于,所述步骤（6)中所选择的针对通用模型0=/ +g,M+g#的干扰观测器为：
其中，外加扰动源满足= ;其中E是一个频率矩阵["〇ll，?是扰动频率; [d =Iiξ L-靜〇 Ρ(α)是需要设计的非线性函数，/ = 4#是非线性干扰观测器的增益；通过调节1可以决 5α 定观测器的收敛速度。
【文档编号】G05D1/02GK104317299SQ201410631147
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】翟军勇, 黄大伟, 艾伟清, 费树岷 申请人:东南大学