1.用于履带机器人的控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取履带机器人的当前状态下的位姿;
设定所述履带机器人的参考轨迹,所述参考轨迹包括位姿指令和速度指令;
建立描述所述履带机器人的位姿与所述履带机器人的速度之间的约束关系的运动学模型,所述速度包括线速度和角速度;
根据所述当前状态下的位姿和设定的参考轨迹,建立所述履带机器人的位姿误差模型;
根据所述运动学模型和所述位姿误差模型建立所述履带机器人的位姿误差微分模型;
建立所述履带机器人的用于驱动左驱动轮的左电机和用于驱动右驱动轮的右电机的驱动模型,所述驱动模型包括力矩驱动模型和电势平衡模型;
根据所述力矩驱动模型和电势平衡模型获得所述左电机和所述右电机的动态模型;
建立随参数调整而变化的自适应滑模切换模型;
根据所述位姿误差微分模型和所述自适应滑模切换模型获得所述履带机器人的期望速度。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包括:
建立用于修正所述履带机器人的期望速度的切换控制模型;
采用所述切换控制模型修正所述履带机器人的期望速度以及获得所述履带机器人的修正后的期望速度;
根据所述修正后的期望速度获得所述左电机和所述右电机的期望角速度;
根据所述左电机和所述右电机的期望角速度以及所述左电机和所述右电机的动态模型计算所述左电机和所述右电机的驱动电压。
3.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于,描述履带机器人的位姿与所述履带机器人的速度之间的约束关系的运动学模型采用式(1)表示:
其中,x、y分别为所述履带机器人的质心在XOY坐标系中的位置坐标,θ为所述履带机器人的运动方向和X轴的夹角,v、ω分别为所述履带机器人的线速度和角速度,d为所述履带机器人的质心和几何中心之间的距离,和分别为x、y和θ对时间的导数;
根据所述履带机器人的当前状态下的位姿和设定的参考轨迹,建立的所述履带机器人的位姿误差模型采用式(2)表示:
其中,(x,y,θ)T为所述履带机器人当前状态下的位姿,x、y分别为所述履带机器人的质心的当前位置的坐标,θ为所述履带机器人在当前状态下其运动方向与X轴的夹角,(xr,yr,θr)T为所述位姿指令,xr、yr分别为所述履带机器人的质心的目标位置的坐标,θr为所述履带机器人到达目标位置时其运动方向与X轴的夹角,xe为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置沿其当前运动方向的误差值,ye为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置在与其当前运动方向垂直方向的误差值,θe为θ和θr之间的误差值;
根据所述运动学模型和位姿误差模型建立的所述履带机器人的位姿误差微分模型:
其中,xe为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置沿其当前运动方向的误差值,ye为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置在与其当前运动方向垂直方向的误差值,θe为所述履带机器人在当前状态下其运动方向与X轴的夹角和到达目标位置时其运动方向与X轴的夹角之间的误差值,分别为xe、ye和θe对时间的导数,v和ω分别为所述履带机器人在当前状态下的线速度和角速度,(vr,ωr)T为所述速度指令,vr和ωr分别为所述履带机器人到达目标位置时的线速度和角速度,d为所述履带机器人的质心和几何中心之间的距离。
4.根据权利要求3所述的控制方法,其特征在于,所述左电机和所述右电机的力矩平衡模型分别采用式(4)和式(5)表示:
其中,Jr(t)、Jl(t)分别为所述左电机和所述右电机的转轴的转动惯量,F为所述左电机和所述右电机的输出轴上的粘性摩擦系数,kt为所述左电机和所述右电机的电磁转矩系数,Tdr(t)、Tdl(t)分别为所述左电机和所述右电机受到的干扰力矩,ωr(t)、ωl(t)分别为所述左电机和所述右电机的转轴转动的角速度,和分别为ωr(t)和ωl(t)对时间的导数,ir(t)、il(t)分别为所述左电机和所述右电机的电枢电流;
所述左电机和所述右电机的电势平衡模型分别采用式(6)和式(7)表示:
其中,L为所述左电机和所述右电机的电枢电感,R为所述左电机和所述右电机的电枢电阻,ke为所述左电机和所述右电机的反电动势系数,ir(t)、il(t)分别为左电机和右电机的电枢电流,和分别为ir(t)和il(t)对时间的导数,ur(t)和ul(t)分别为所述右电机的驱动电压和所述左电机的驱动电压;
根据所述力矩驱动模型和电势平衡模型获得的所述左电机和所述右电机的动态模型采用式(8)和式(9)表示:
其中,Tl(t)=RJl(t)/(RF+ktke),Tr(t)=RJr(t)/(RF+ktke),
k1=kt/(RF+ktke),k2=R/(RF+ktke),R为左电机和右电机的电枢电阻,Jr(t)、Jl(t)分别为左电机和右电机的转轴的转动惯量,F为左电机和右电机的输出轴上的粘性摩擦系数,kt为左电机和右电机的电磁转矩系数,ke为左电机和右电机的反电动势系数,且ke=0.10472kt,Tdr(t)、Tdl(t)分别为左电机和右电机受到的干扰力矩,ωr(t)、ωl(t)分别为左电机和右电机的转轴转动的角速度,和分别为ωr(t)和ωl(t)对时间的导数,ur(t)和ul(t)分别为所述右电机的驱动电压和所述左电机的驱动电压。
5.根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于,建立的随参数调整而变化的自适应滑模切换模型采用式(10)表示:
其中,α1和α2为倾斜参数,xe为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置沿其当前运动方向的误差值,ye为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置在与其当前运动方向垂直方向的误差值,θe为所述履带机器人在当前状态下其运动方向与X轴的夹角和到达目标位置时其运动方向与X轴的夹角之间的误差值,vr为所述履带机器人到达目标位置时的线速度,c1、c2、c3、c4、kk1、kk2均为正常数,s1和s2分别为关于xe和θe的切换函数。
6.根据权利要求5所述的控制方法,其特征在于,根据所述位姿误差微分模型和所述自适应滑模切换模型获得的所述履带机器人的期望速度采用式(11)表示:
其中,vd和ωd分别为所述履带机器人的期望线速度和期望角速度,α1和α2为倾斜参数,ω为所述履带机器人在当前状态下的角速度,vr和ωr分别为所述履带机器人到达目标位置时的线速度和角速度,为vr对时间的导数,xe为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置沿其当前运动方向的误差值,ye为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置在与其当前运动方向垂直方向的误差值,θe为所述履带机器人在当前状态下其运动方向与X轴的夹角和到达目标位置时其运动方向与X轴的夹角之间的误差值,d为所述履带机器人的质心和几何中心之间的距离,c1、c2、c3、c4、kk1、kk2均为正常数。
7.根据权利要求6所述的控制方法,其特征在于,所述切换控制模型采用式(12)表示:
其中,β1、β2为大于零的切换增益,β1、β2、Δ1和Δ2均为经验值,sat为饱和函数,s1和s2分别为关于xe和θe的切换函数;
所述履带机器人的修正后的期望速度采用式(13)表示:
其中,v′d和ω′d分别为所述履带机器人的修正后的期望线速度和修正后的期望角速度,α1和α2为倾斜参数,ω为所述履带机器人在当前状态下的角速度,vr和ωr分别为所述履带机器人到达目标位置时的线速度和角速度,为vr对时间的导数,xe为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置沿其当前运动方向的误差值,ye为所述履带机器人的质心的当前位置和目标位置在与其当前运动方向垂直方向的误差值,θe为所述履带机器人在当前状态下其运动方向与X轴的夹角和到达目标位置时其运动方向与X轴的夹角之间的误差值,d为所述履带机器人的质心和几何中心之间的距离,c1、c2、c3、c4、kk1、kk2均为正常数,β1、β2为大于零的切换增益,β1、β2、Δ1和Δ2均为经验值,sat为饱和函数,s1和s2分别为关于xe和θe的切换函数;
所述左电机和所述右电机的期望角速度分别采用式(14)和式(15)表示:
ωrd=(v′d+ω′dA)r-1 式(14)
ωld=(v′d-ω′dA)r-1 式(15)
其中,ωrd和ωld分别为所述右电机的期望角速度和左电机的期望角速度,v′d和ω′d分别为所述履带机器人的修正后的期望线速度和修正后的期望角速度,A为所述左驱动轮和右驱动轮之间的间距的一半,r为所述左驱动轮和所述右驱动轮的半径。
8.一种履带机器人,其特征在于,包括:
左驱动轮,用于驱动左履带;
右驱动轮,用于驱动右履带;
左电机,用于驱动所述左驱动轮;
右电机,用于驱动所述右驱动轮;
传感器,用于检测所述履带机器人的当前状态下的位姿,该位姿包括所述履带机器人在指定坐标系中的位置和倾斜角度;以及控制器,用于执行根据权利要求1至7中任意一项所述的用于履带机器人的控制方法。