一种基于cmac和pid的全向移动机器人及移动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种移动机器人及控制方法，特别是一种基于CMAC和PID的全向移动 机器人及移动控制方法。
【背景技术】
[0002] 轮式移动机器人具有运行灵活、稳定可靠、承载能力强等优点，已成功并广泛地应 用于工业、仓储物流、服务业等诸多领域。本发明的全向移动机器人能集全向移动和机械手 搬运功能于一体，主要由全向移动底盘和六自由度机械手两大部分组成，通过相互协调配 合来完成指定物体的夹持、移位及搬运的功能。其中，全向移动底盘具有平面内的三个自由 度，可以实现纵向移动、横向侧移、原地旋转等基本运动以及任意组合的复杂运动，能较好 地克服普通轮式移动机器人无法横向侧移和原地旋转的缺陷，尤其适合在狭小作业空间、 障碍较多以及需要频繁转向和精确定位的环境内运行，具有广阔的发展前景。
[0003] 由于麦克纳姆轮对地面要求较高，机器人在实际运行过程中，辊子与地面的接触 情况会受到地面实际状况的影响，当地面状况不断变化时，机器人必须实时作出反应，通过 在线自动调整相关运动控制参数，才能保证其运动精度和运行平稳性。因此，全向移动机器 人对响应实时性、运动控制精度及稳定性都有较高要求。目前，应用于移动机器人运动的控 制算法主要是常规PID控制以及模糊自适应PID控制。
[0004] 中国发明专利[申请号:0呢01410725687.5申请日2014.12.02]公开了一种全向机 器人的改进PID控制算法，此算法虽控制简单，但其随动性较差，当机器人运行环境地面不 够平坦时，其控制精度往往达不到要求。中国发明专利[【申请号】CN201110287320.6.5申请 日2011.09.26]公开了一种机器人的模糊PID控制算法，它虽然能够根据机器人实际地面的 变化而在线自动修改PID的三个参数，但因其程序较为复杂，可能会影响到移动机器人的响 应实时性，尤其在机器人运行速度较快时，可能会因车体的惯性，而导致全向机器人小车瞬 间偏离预先规划好的运动轨迹。故上述两种控制算法都不太适合全向移动机器人小车在运 动环境不够理想、影响因素不完全确定等复杂条件下的实时控制。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于CMAC和 PID的全向移动机器人的移动控制方法，该基于CMAC和PID的全向移动机器人的移动控制方 法能克服以往控制算法无法兼顾精度、响应实时性和稳定性的缺陷，实现全方位移动机器 人在环境不够理想、影响因素不完全确定等复杂条件下的实时高精度控制。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0007] -种基于CMAC和PID的全向移动机器人的移动控制方法，包括如下步骤：
[0008] 第一步，CMAC结构设计:根据机器人轮组的给定速度，进行CMAC结构设计;CMAC结 构包括输入状态空间S、概念存储器A、实际存储器A1和CMAC输出值u。。
[0009] 第二步，给定速度分量输入:将机器人轮组的给定速度以无线或有线的方式传送 给机器人的主控制器，其中，给定速度包括车轮沿x、y方向的线速度以及车轮绕z轴的旋转 角速度;主控制器按照逆运动学控制模型，将接收的给定速度转化为多个车轮的转动速度。
[0010] 第三步，主控制器开始作用：主控制器为CMAC和PID联合控制器;此时，将主控制器 中CMAC的输出设置为零，主控制器将以PID方式驱动电机带动车轮转动，主控制器第一次总 输出值等于PID输出值。
[0011] 第四步，车轮转速误差计算:通过光电编码器对第三步中各车轮转动时的实际速 度进行检测，并反馈给主控制器;主控制器将接收的实际速度与转化后的给定速度进行对 比，并计算出车轮转速误差。
[0012] 第五步，CMAC和PID联合控制：主控制器将第四步计算的转速误差送入控制单元， 此时，主控制器将采用CMAC和PID联合控制的方式，利用第三步中的PID输出值在线训练 CMAC中的连接权值，CMAC根据接收的转速误差以及训练后的连接权值，得到CMAC输出值， PID也根据接收的转速误差得到一个新的PID输出值;主控制器第二次总输出值等于CMAC输 出值与新的PID输出值之和，主控制器按照第二次总输出值对多个车轮的实际速度进行调 整与控制。
[0013] 第六步，车轮转速误差再次计算:光电编码器对调整后的实际速度进行再次检测， 并反馈给主控制器;主控制器按照第三步方法对车轮转速误差进行再次计算。
[0014] 第七步，CMAC和PID再次联合控制:主控制器将第六步再次计算的转速误差再次送 入控制单元，并按照第五步方法，利用第五步中新的PID输出值在线训练CMAC中的连接权 值，并得到主控制器第三次总输出值，主控制器按照第三次总输出值对多个车轮的实际速 度进行调整与控制。
[0015] 第八步，重复第六步与第七步，直至转速误差为零，停止调整。
[0016] 所述第一步中，CMAC结构设计步骤如下：
[0017]步骤1，从输入状态空间S至概念存储器A的概念映射:将输入空间S在区间[Si，& ] 上分成N+2C个量化IS!隔，县体分法为，
[0018] ⑴
[0019] 上述(1)式中，d为概念存储器A内的存储值；
[0020] 步骤2,实际映射:CMAC采用如下的杂散编码方法实现实际映射关系：
[0021] - (2)
[0022]上述(2)式中，ai为CMAC中实际存储器A1内的一个指针，每个指针内均存储着相应 的连接权值;Sk为第k个输入样本值；
[0023] 步骤3, CMAC的输出uc(k)为：
[0024] (3)
[0025] 上述(3)式中，udk)为CMAC的第k次输出值;Wi为CMAC中实际存储器A1内的第i个连 接权值;c为泛化参数。
[0026] 所述第五步和第七步中，CMAC和PID联合控制的调整目标为：
[0027]
C4)
[0028] 上述(4)式中，E(k)为CMAC和PID联合控制的调整目标;u(k)为主控制器的第k次总 输出值;c为泛化系数。
[0029] 所述第五步和第七步中，采用梯度下降法，利用PID输出值在线训练CMAC中的连接 权值，梯度下降法的调整规则为：
(5)
[0030]
[0031] 上述(5)式中，w(k)或w(k-l)为CMAC中实际存储器A1内的第k或k-Ι个连接权值;η 为学习率，0〈η〈1 ;α为动量因子。
[0032] 所述第二步中，全向移动机器人的车轮为四个，每个车轮均为麦克纳姆轮;所述逆 运动学控制模型为：
[0033]
[0034] 式中，ωι、ω2、ω3和ω4为按照逆运动学控制模型，将给定速度转化成的四个车轮 的转动速度;V X为给定的沿X方向的线速度;Vy为给定的沿y方向的线速度；ω ζ为给定的车轮 绕Ζ轴的旋转角速度;W为四轮轮距的二分之一;L为轴距的二分之一。
[0035] 另外，本发明还提供一种基于CMAC和PID的全向移动机器人，该基于CMAC和PID的 全向移动机器人能集全向移动和机械手搬运功能于一体，其机械结构采用了四轮全向移动 底盘与六自由度机械手相结合的形式，尤其适合在狭小作业空间以及需要频繁转向和精确 定位的环境内，完成指定物体的夹持、移位及搬运等功能。
[0036] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[0037] -种基于CMAC和PID的全向移动机器人，包括全向移动底盘和位于全向移动底盘 上的六自由度机械手，全向移动底盘包括车架、位于车架底部四周的四个麦克纳姆轮、麦克 纳姆轮驱动装置和控制器，麦克纳姆轮驱动装置包括直流电机、主控制器和编码器，其中， 主控制器为CMAC和PID联合控制器，能实现速度闭环控制;编码器能检测麦克纳姆轮转动的 实际速度。
[0038] 还包括遥控终端，遥控终端为手机。
[0039] 所述控制器包括通过CAN总线进行通讯的主控制器和从控制器，其中，主控制器用 于接收遥控终端发送过来的