一种载人机器人的线性自抗扰轨迹跟踪控制方法和控制器.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN114167721A(43)申请公布日2022.03.11(21)申请号202111314017.0(22)申请日2021.11.08(71)申请人中国民航大学地址300000天津市东丽区津北公路2898号(72)发明人高庆吉岳凤发罗其俊侯世昊(74)专利代理机构天津知晓邦知识产权代理事务所(普通合伙)12253代理人肖伟杨(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书5页说明书19页附图4页(54)发明名称一种载人机器人的线性自抗扰轨迹跟踪控制方法和控制器(57)摘要本发明公开了一种载人机器人的线性自抗扰轨迹跟踪控制方法和控制器，其中自抗扰轨迹跟踪控制方法包括：设计线性扩张状态观测器；设计反馈控制律，在线性自抗扰控制器的基础上引入非线性反馈控制律；对线性扩张状态观测器进行渐进稳定性分析。根据仿真曲线、误差分析和调整时间对比，本申请采用的改进后的自抗扰跟踪控制器控制效果较好，初始时刻超调量较小，系统响应速度较快。达到稳态后，稳态误差较小，几乎无误差波动，控制精度较高，控制过程较为平稳；抗扰能力较强。引入扰动后，本申请方法的抗扰能力对引入内扰有较强抑制能力。所采用的踪控制器对于载人机器人的敏捷通行目标实现，提高了运行安全性、敏捷性和舒适性。CN114167721ACN114167721A权利要求书1/5页1.一种载人机器人的线性自抗扰轨迹跟踪控制方法，应用线性自抗扰控制器，其中，所述线性自抗扰控制器至少包括线性扩张状态观测器，其特征在于，包括如下步骤：机器人开机运行，步骤1：对控制参数和基本运动参数进行设定，同时接收到来自各类机载传感器的障碍物位置信息；步骤2：对所处环境中的障碍物密度和障碍物危险性进行评估，采用对应的约束关系计算载人机器人需要更新的加速度值，并动态修改局部轨迹规划自适应动态窗口法的速度空间，得到优化后的参考轨迹；步骤3：以参考轨迹作为自抗扰控制的参考输入，并采用线性扩张状态观测器对参考轨迹中加速度变化，以及在运行场景中的扰动进行估计和补偿；步骤4：根据自抗扰控制的输出和参考位姿对比，判断载人机器人当前是否到达参考轨迹和目标点，并进行循环执行轨迹规划和跟踪控制。2.如权利要求1所述的载人机器人的线性自抗扰轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤3中，还包括：步骤3‑1：设计线性扩张状态观测器；步骤3‑2：设计反馈控制律，在线性自抗扰控制器的基础上引入非线性反馈控制律；步骤3‑3：对线性扩张状态观测器进行渐进稳定性分析。3.如权利要求2所述的载人机器人的线性自抗扰轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤3‑1中，设计线性扩张状态观测器如下：载人机器人系统在轨迹跟踪控制时，对位姿矢量中的其中一项跟踪时，将视作单输入单输出的二阶系统，以对全局坐标下X坐标跟踪，可写作下式：其中，f是系统总扰动，u是控制量，x是状态变量，b是控制器增益，t是时间；f进行微分，y是被控输出，将其扩展为一个新的状态量，可得：其中，x1＝y，其中，x1表示沿X方向的位移，x2表示沿X方向的速度，x3表示总扰动，由Luenberger提出的状态观测器理论，得到的LESO方程如下：其中，是LESO的状态变量，β1，β2，β3是观测器增益。4.如权利要求2所述的载人机器人的线性自抗扰轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤3‑2中，设计反馈控制律，在线性自抗扰控制器的基础上引入非线性反馈控制律如下：将输入和输出进行做差，以载人机器人的参考速度矩阵v作为输入量，实际速度vc作为2CN114167721A权利要求书2/5页系统输出，构建系统的反馈误差公式：ve＝v‑vc(4)对速度误差矩阵进行求导可得：其中，B代表一个矩阵，即其中，上式中M(q)为惯量矩阵，E(q)为转换矩阵，τd力矩常数，τ代表输入力矩矢量，代表总扰动的导数；故整理后可得到载人机器人的输入力矩表达式如下：载人机器人系统，在轨迹跟踪控制时，针对位姿矢量的跟踪，将其视作二阶系统，且构建的线性扩张状态观测器如下所示：其中，即为载人机器人的速度矩阵v的分量，采用状态观测器理论展开后所得到的观测值如下式所示，为对速度矩阵分量的观测值：上式中假设了虚拟控制量u0，将其定义为：其中，代表沿X方向的位移的估计；代表沿X方向的速度的估计；代表总扰动的估计，代表沿X方向位移的估计的导数；代表沿X方向速度的估计的导数；代表总扰动估计的导数；由于线性扩张状态观测器对系统的内外扰动进行实时轨迹，所以在虚拟控制量中，去除了积分环节；为了避免给定信号急变时导致系统的震荡，且保持闭环传函没有零点时为纯二阶系统，直接忽略的作用，故将二阶系统下的误差反馈控制律u表示为如下式所示：其中，b是控制器增益；将载人机器人视作纯二阶系统时，根据