一种反演滑模控制的轮式移动机器人的轨迹跟踪方法.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CN110865641A(43)申请公布日2020.03.06(21)申请号201911043100.1(22)申请日2019.10.30(71)申请人吉首大学地址416000湖南省湘西土家族苗族自治州吉首市人民南路120号(72)发明人邓小飞陈善荣颜瑞宁洪斌(74)专利代理机构深圳市兴科达知识产权代理有限公司44260代理人阳江军(51)Int.Cl.G05D1/02(2020.01)权利要求书3页说明书8页附图3页(54)发明名称一种反演滑模控制的轮式移动机器人的轨迹跟踪方法(57)摘要本发明提供了一种反演滑模控制的轮式移动机器人的轨迹跟踪方法，该轨迹跟踪方法首先对轮式移动机器人进行建模，然后根据其模型建立运动学方程，在得到其目标轨迹方程后，建立其位姿误差方程，同时给出满足有界输入的约束条件，利用该约束条件设计出轮式移动机器人的反演滑模控制器，最后针对设计出来的控制器进行稳定性分析，在对控制器的输入进行有界约束后得到的控制器的控制精度，达到了对轮式移动机器人轨迹精准跟踪的目的。CN110865641ACN110865641A权利要求书1/3页1.一种反演滑模控制的轮式移动机器人的轨迹跟踪方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤1、轮式移动机器人模型建立以及得到其运动学方程和目标轨迹方程；独立双后轮差动驱动移动机器人通过两个后轮的不同速度来控制机器人的速度和方向，在移动机器人的工作平面内建立直角坐标，得到移动机器人模型；根据所述移动机器人模型，得出机器人的运动学模型方程(1)以及目标轨迹方程(2)：其中，和是移动机器人模型在直角坐标系中的x和y轴的位置，是移动机器人模型的移动角速度，和是移动机器人模型在直角坐标系中的x和y轴的目标位置，是移动机器人模型的移动目标角速度，v和ω分别是移动机器人模型的移动线速度和角速度，θ是移动机器人模型与x轴的夹角，ωd是移动机器人模型的移动目标角速度，θd是移动机器人模型与x轴的目标夹角；步骤2、轮式移动机器人位姿误差方程建立；由坐标基本变换公式，并且结合所述移动机器人模型得到移动机器人的位姿误差方程(3)：其中，是移动机器人模型的x轴的位姿误差，是移动机器人模型的y轴的位姿误差，是移动机器人模型的角速度位姿误差；步骤3、给出满足有界输入的约束条件；设需跟踪的路径为如果机器人能够收敛并遵循约束条件，则可跟踪：其中，v和ω为控制输入线速度和角速度，Vmin是设定线速度的最小值，Vmax是设定线速度最大值，Wmax是设定角速度的最大值；根据移动机器人的运动学模型方程(1)，如果可跟踪，那么移2CN110865641A权利要求书2/3页动机器人的输入也必须满足约束条件(4)；对于都有：其中，和分别为x轴误差方程的一阶和二阶导数，和分别为y轴误差方程的一阶和二阶导数；重新定义误差方程：其中a、b、p和q是常数，和分别是x和y轴的误差方程；步骤4、利用约束条件设计轮式移动机器人的反演滑模控制器；线速度反演滑模控制器的设计步骤如下：定义Lyapunov函数V1为：由误差方程(7)可得Lyapunov函数的一阶导数为：取切换面函数即滑模面函数s1＝e1，s2＝e2；可实现e1,e2→0，通过设计虚拟控制量β，使得β的变换式m1和m2分别为：同理将虚拟控制律和线速度控制律设计为：角速度反演控制器的设计步骤如下：设计角速度控制量来实现θ跟踪θd，同时保证θ跟踪β，其中k1、k2、k3是常数；定义Lyapunov函数即V2为：3CN110865641A权利要求书3/3页则Lyapunov函数的一阶导数取切面函数即滑模面函数s3＝e3，将角速度控制律设计为：其中sgn(t)是符号函数，则有系统满足了Lyapunov稳定性理论条件；采用如下式(15)低通滤波器消除角速度反演控制器干扰，si是低通滤波器的输入，αi是大于的常数：步骤5、控制器稳定性分析；在构建控制器之后还需要判断该控制器是否满足系统的稳定性；构造Lyapunov函数V为：则Lyapunov函数的一阶导数为：设计切面函数，使得s1,s2趋向于0，选取等速趋近律，有：其中，k1、k2为常数，和是切面函数s1和s2的一阶导数，将式(18)代入式(17)中合并得：其中，V≥0且连续可微，由Lyapunov稳定性理论可判定系统全局渐近稳定。4CN110865641A说明书1/8页一种反演滑模控制的轮式移动机器人的轨迹跟踪方法技术领域[0001]本发明涉及轮式移动机器人的轨迹跟踪控制技术领域，更具体地，涉及一种反演滑模控制的轮式移动机器人的轨迹跟踪方法。背景技术[0002]机器人诞生是20世纪科学技术的一大进步，尤其是近些年，机器人技术得到飞速发展，不断向智能化、多元化方向发展，已经成功应