一种轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法.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CN113835339A(43)申请公布日2021.12.24(21)申请号202110864722.1(22)申请日2021.07.29(71)申请人东南大学地址210096江苏省南京市玄武区四牌楼2号(72)发明人翟军勇李泽宇(74)专利代理机构南京众联专利代理有限公司32206代理人许小莉(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书2页说明书9页附图6页(54)发明名称一种轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法(57)摘要本发明公开一种轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法。考虑移动机器人系统受内部参数摄动、外部干扰、运动侧滑和传动机构间隙的影响，对移动机器人系统进行建模。借助双环控制的思想设计位置环虚拟控制器，并在此基础上，借助观测器技术、自适应控制理论和滑模控制方法设计自适应集总扰动观测器、积分反正切滑模面和速度环超螺旋滑模控制器，实现有限时间内对集总扰动的估计、滑模面的到达和对轮式移动机器人预设线速度和角速度的跟踪。最后利用李雅普诺夫稳定性理论证明了移动机器人系统可实现对目标轨迹的渐近跟踪。此种方法解决了轮式移动机器人在受到内部参数摄动、外部干扰、运动侧滑和传动机构间隙的影响下如何快速地实现轨迹跟踪的问题。CN113835339ACN113835339A权利要求书1/2页1.一种轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤(1)：利用速度环与位姿环的双环控制方法建立受内部参数摄动、外部干扰、打滑作用以及控制滞环影响的轮式移动机器人运动学模型和动力学模型；步骤(2)：利用轮式移动机器人期望轨迹和步骤(1)中建立的运动学模型和动力学模型，基于Lyapunov稳定性理论，设计轮式移动机器人虚拟线速度vc控制器和虚拟角速度wc控制器；步骤(3)：设计集总扰动观测器实现有限时间内对轮式移动机器人集总扰动Dd的估计；步骤(4)：设计观测器参数φ的自适应律以提升估计误差的收敛速度，避免自适应参数过度估计；步骤(5)：设计积分反正切滑模面S，进一步基于集总扰动的估计值和超螺旋控制方法，设计超螺旋滑模控制器τ实现有限时间内轮式移动机器人实际线速度v和角速度w跟踪虚拟线速度vc和角速度wc。2.根据权利要求1所述的轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤(1)中所述建立轮式移动机器人运动学模型和动力学模型如下：其中：M是正定对称的惯性矩阵，B是输入矩阵，J是非完整约束关联矩阵的零空间矩阵，d是内部参数摄动、外部干扰和打滑作用的扰动叠加，Dd是轮式移动机器人集总扰动，db(t)是由传动机构间隙产生的控制滞环，Bl,Br是滞环曲线和水平轴的两个交点，Zl,Zr是当前控制作用摆脱滞环影响的左右临界点，Ult代表控制作用受滞环影响时纵坐标保持不变。3.根据权利要求1所述的轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法，其特征在于：步骤(2)中所述的轮式移动机器人虚拟线速度vc控制器和虚拟角速度wc控制器设计为：其中，vr,wr分别是轮式移动机器人的期望线速度和期望角速度，kx,ky为正常数，xe是轮式移动机器人横向跟踪误差，ye是轮式移动机器人纵向跟踪误差，θe是轮式移动机器人车头角度跟踪误差。4.根据权利要求1所述的轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法，其特征在于：步骤(3)中的集总扰动观测器设计为：2CN113835339A权利要求书2/2页TT其中，θ＝[θ1,θ2]是观测器计算中间变量，无实际物理含义，z＝[v,w]，α1,α2是正常T数，φ是自适应参数，0＜γ1＜1,γ2＞1，sgn(θ)＝[sign(θ1),sign(θ2)]，sign(·)代表符号函数。5.根据权利要求1中所述的轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法，其特征在于，步骤(4)中所述设计观测器参数φ的自适应律以提升估计误差的收敛速度，避免自适应参数过度的具体方法是：基于自适应控制理论设计可动态调整的观测器参数φ的自适应律：其中，φ(0)≥k2＞0，参数k1、k2为正常数且k1＞k2＞0，η为正常数。6.根据权利要求1所述的轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法，其特征在于：步骤(5)中所述设计积分反正切滑模面S为：T其中，zc＝[vc,wc]，α3,α4是正常TT数，ze＝z‑zc＝[v‑vc,w‑wc]，且ze＝[ze1,ze2]，其中ze1、ze2是ze的两个分量，0＜γ3＜1,γ4＞1。7.根据权利要求1所述的轮式移动机器人超螺旋滑模轨迹跟踪方法，其特征在于：步骤(5)中所述设计超螺旋滑模控制器τ实现有限时间内轮式移动机器人实际线速度v和角速度w跟踪虚拟线速度vc和角速度wc的方法如下：其中，TTze＝z‑zc，z＝[v,w]，zc＝[v