本發(fā)明涉及軌跡跟蹤控制，特別是涉及一種滑動(dòng)與側(cè)滑狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，輪式移動(dòng)機(jī)器人(wheeled?mobile?robot，wmr)在行星探索、軍事以及搜救等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，可以用于執(zhí)行特定場(chǎng)合的危險(xiǎn)任務(wù)。但由于輪式移動(dòng)機(jī)器人具有高耦合、非線性等基本特征，傳統(tǒng)控制方案難以達(dá)到期望的效果。當(dāng)前，對(duì)于wmr的控制方案主要包括自適應(yīng)、反演、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自抗擾、模糊與滑?？刂频取Ｔ诶硐氕h(huán)境中，wmr運(yùn)動(dòng)需要符合非完整約束，即長(zhǎng)期維持純滾動(dòng)而不發(fā)生滑動(dòng)。但是在相關(guān)真實(shí)場(chǎng)景中，由于受到實(shí)際環(huán)境的影響，可能會(huì)出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)、縱向滑動(dòng)等情況，這些情況將會(huì)破壞機(jī)器人的理想約束，導(dǎo)致機(jī)器人無(wú)法正常運(yùn)動(dòng)。因此，需要對(duì)wmr存在滑動(dòng)、側(cè)滑狀況時(shí)的軌跡跟蹤控制開展深度分析與研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制性能不佳的問(wèn)題，提供一種未知打滑下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法。該方法包括：

2、建立移動(dòng)機(jī)器人在未知打滑下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，將動(dòng)力學(xué)模型中的未知縱滑和側(cè)滑擾動(dòng)、模型參數(shù)不確定及未知輸入擾動(dòng)稱為集總擾動(dòng)；

3、根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的位姿跟蹤誤差設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器，輸出移動(dòng)機(jī)器人虛擬線速度和角速度；

4、根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人虛擬線速度和角速度與實(shí)際線速度和角速度的速度跟蹤誤差及動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)自抗擾積分滑?？刂破?，確定移動(dòng)機(jī)器人左、右驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制力矩，控制所述移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際線速度和角速度漸近收斂到所述虛擬線速度和角速度；

5、根據(jù)自抗擾積分滑?？刂破骱鸵苿?dòng)機(jī)器人實(shí)際線速度和角速度，設(shè)計(jì)非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人速度狀態(tài)和集總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)，并將集總擾動(dòng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響。

6、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述移動(dòng)機(jī)器人在未知打滑下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表示為：

7、假設(shè)位姿q＝[x?yθθrθl]t，則存在滑動(dòng)以及側(cè)滑的情況下，wmr非完整約束可以表示為：

8、

9、式中，(x,y)代表點(diǎn)p在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，其描述了機(jī)器人在空間中所處的位置；θ代表wmr的方位角，表示機(jī)器人的朝向；θl和θr分別表示左右驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)的角度，它們直接影響車輛的前進(jìn)與轉(zhuǎn)向。ξl、ξr和u分別表示wmr左右驅(qū)動(dòng)輪側(cè)滑時(shí)的角速度擾動(dòng)和縱向滑動(dòng)擾動(dòng)，反映了車輛在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受到的外部干擾，其大小會(huì)與車輪、路況等多種因素產(chǎn)生的綜合影響有關(guān)。非完整約束公式可以改寫為如下緊湊形式：式中，λ＝[u-rξr-rξl]t。

10、此處選擇滿秩矩陣c(q)，其為a(q)的零空間的一組基，從而滿足a(q)c(q)＝0，其中

11、則輪式移動(dòng)機(jī)器人在滑動(dòng)和側(cè)滑情況下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以表示為：

12、

13、式中，ζ＝[ζvζw]t，z＝[v?w]t，

14、f(q,u)＝[-usinθucosθ000]t。

15、其中：ζv和ζw分別表示縱向滑動(dòng)引起的線速度擾動(dòng)和橫擺率擾動(dòng)，v和w分別表示輪式移動(dòng)機(jī)器人的線速度和角速度，f(q,u)是車輪發(fā)生側(cè)向滑動(dòng)時(shí)引起的擾動(dòng)向量。

16、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述移動(dòng)機(jī)器人打滑下的動(dòng)力學(xué)模型表示為：

17、

18、式中，b1(q)＝ctm,b2(q)＝ctv,i＝ic+2im+2mwb2。

19、考慮參數(shù)不確定和外界擾動(dòng)后，機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型改寫為

20、

21、由于wmr在水平地面上運(yùn)行,g(q)＝0,則機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為

22、

23、式中，

24、

25、d為側(cè)滑干擾f(q,u)與滑動(dòng)干擾ζ的總擾動(dòng)。假設(shè)d有界且存在一階導(dǎo)數(shù)，這意味著系統(tǒng)在受到干擾時(shí)，擾動(dòng)量不會(huì)無(wú)限增大，且擾動(dòng)量的變化速率是有限的。

26、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的位姿跟蹤誤差設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器，輸出移動(dòng)機(jī)器人虛擬線速度和角速度的具體方法包括：

27、將所述移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際線速度和角速度作為所述移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的輸入，得到所述移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際位姿；

28、獲取所述移動(dòng)機(jī)器人的參考位姿和所述實(shí)際位姿的位姿跟蹤誤差，根據(jù)所述位姿跟蹤誤差，執(zhí)行根據(jù)所述運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器獲取所述移動(dòng)機(jī)器人虛擬線速度和角速度的步驟。

29、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述集總擾動(dòng)通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、力矩、縱滑速度、側(cè)滑速度、移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪縱滑引起的干擾角速度矢量、移動(dòng)機(jī)器人側(cè)滑引起的非匹配擾動(dòng)向量、移動(dòng)機(jī)器人的方位角確定。

30、在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述控制所述移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際速度收斂到所述虛擬速度的具體方法包括：將移動(dòng)機(jī)器人的左、右驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制力矩輸入移動(dòng)機(jī)器人的所述動(dòng)力學(xué)模型，從而確定移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際速度。

31、上述未知打滑下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，構(gòu)建外環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器和內(nèi)環(huán)滑模控制器的雙閉環(huán)控制策略，通過(guò)獲取移動(dòng)機(jī)器人參考位姿和實(shí)際位姿的位姿跟蹤誤差，設(shè)計(jì)基于反步法的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器，得到虛擬線速度和角速度，實(shí)現(xiàn)位姿跟蹤誤差漸進(jìn)收斂，提高系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)速度；根據(jù)虛擬線速度和角速度與移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際線速度和角速度的速度跟蹤誤差及動(dòng)力學(xué)模型，設(shè)計(jì)自抗擾積分滑?？刂破鳎_定移動(dòng)機(jī)器人左、右驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制力矩，控制移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際線速度和角速度漸近收斂到所述虛擬線速度和角速度；設(shè)計(jì)非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人速度狀態(tài)和集總擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)，并將集總擾動(dòng)進(jìn)行前饋補(bǔ)償，消除擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響；通過(guò)執(zhí)行上述雙閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制，改善輪子打滑下移動(dòng)機(jī)器人的控制性能。

技術(shù)特征：

1.一種滑動(dòng)和側(cè)滑狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，其特征在于：具體包括以下?步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)和側(cè)滑狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法方法，所述基于反步法設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器通過(guò)輔助運(yùn)動(dòng)學(xué)控制律的設(shè)計(jì)，可使機(jī)器人的實(shí)際位置漸近收斂到期望位置。針對(duì)滑動(dòng)和側(cè)滑下wmr的軌跡跟蹤，通過(guò)設(shè)計(jì)非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)總干擾進(jìn)行估計(jì)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)和側(cè)滑狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法方法，其特征在于，所述根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的位姿跟蹤誤差設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器，輸出移動(dòng)機(jī)器人虛擬線速度和角速度的具體方法包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)和側(cè)滑狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法方法，其特征在于，所述控制所述移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際速度收斂到所述虛擬速度的具體方法包括：將移動(dòng)機(jī)器人的左、右驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制力矩輸入移?動(dòng)機(jī)器人的所述動(dòng)力學(xué)模型，從而確定移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)際速度。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動(dòng)和側(cè)滑狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法方法，其特征在于，所述集總擾動(dòng)通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、力矩、縱滑速度、側(cè)滑速度、移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪縱滑引起的干擾角速度矢量、移動(dòng)機(jī)器人側(cè)滑引起的非匹配擾動(dòng)向量、移動(dòng)機(jī)器人的方位角確定。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開一種滑動(dòng)和側(cè)滑狀態(tài)下的移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制方法，首先構(gòu)建關(guān)于滑動(dòng)、側(cè)滑情形下的模型，然后使用反步法來(lái)建立配套的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制器，確立關(guān)于計(jì)算的虛擬速度；然后基于非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和積分滑?？刂扑枷朐O(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)控制器，并對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。本發(fā)明提出的控制方法能夠有效地提高跟蹤精度以及魯棒性。

技術(shù)研發(fā)人員：包建華,葉志康
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2