一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法.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CN106125728A(43)申请公布日2016.11.16(21)申请号201610522244.5(22)申请日2016.07.05(71)申请人上海电机学院地址201100上海市闵行区江川路690号(72)发明人王雪松孙强韩林鲍祚睿陈年生范光宇(74)专利代理机构上海申汇专利代理有限公司31001代理人翁若莹吴小丽(51)Int.Cl.G05D1/02(2006.01)G05B13/04(2006.01)权利要求书5页说明书8页附图2页(54)发明名称一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法(57)摘要本发明提供了一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，首先建立系统的运动学模型、动力学模型、驱动电机模型；然后设计运动学控制器，用于在运动学模型的基础上，根据给定的参考轨迹的状态调整系统的速度；动力学控制器，用于在动力学模型的基础上，根据所需调整系统的速度得出电机的期望力矩；驱动电机控制器，用于在驱动电机模型的基础上，为满足电机的期望力矩，设计出系统合适的驱动电压；最后采用反步法的鲁棒轨迹跟踪控制方法对四驱轮式移动机器人进行轨迹跟踪控制。本发明提供的方法实现了在复杂不确定环境下提高四驱轮式移动机器人控制系统的稳定性的目的，改善了含有不确定性因素条件下系统控制的有效性。CN106125728ACN106125728A权利要求书1/5页1.一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：该方法由以下3个步骤组成：步骤1：建立系统的运动学模型、动力学模型、驱动电机模型；步骤2：设计运动学控制器，用于在运动学模型的基础上，根据给定的参考轨迹的状态调整系统的速度；动力学控制器，用于在动力学模型的基础上，根据所需调整系统的速度得出电机的期望力矩；驱动电机控制器，用于在驱动电机模型的基础上，为满足电机的期望力矩，设计出系统合适的驱动电压；步骤3：采用反步法的鲁棒轨迹跟踪控制方法对四驱轮式移动机器人进行轨迹跟踪控制，具体过程如下：步骤3.1：根据给定的参考轨迹，通过对系统模型的建立获取在相应坐标系下机器人位姿误差；步骤3.2：判定该位姿误差是否为零，若为零，则完成了相应的轨迹跟踪；反之，调整运动学模型输入的期望速度；步骤3.3：在满足运动学模型的期望速度的条件下，设置合适的力矩控制律；步骤3.4：对驱动电机的电压进行设定，获取适当的电压控制律，使系统获取的期望速度及力矩条件同时满足。步骤3.5：按照反步法的设计思想，形成一个反馈系统，使得在t→∞时，t表示时间，位姿误差为0，以实现实际的移动机器人对参考轨迹的跟踪。2.如权利要求1所述的一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述反馈系统结构为：运动学控制器、动力学控制器、驱动电机控制器、驱动电机模型、动力学模型、运动学模型依次连接，驱动电机模型输出结果反馈给驱动电机控制器，动力学模型输出结果反馈给动力学控制器和驱动电机控制器，运动学模型输出结果反馈给动力学控制器，运动学模型输出结果通过积分环节后形成实际轨迹反馈给动力学控制器，实际轨迹与参考轨迹的位姿误差输入运动学控制器，参考轨迹同时作为前馈信号输入运动学控制器。3.如权利要求1所述的一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述运动学模型的建立方法如下：运动学模型为了描述系统速度与其位姿之间的关系：Pfaffian形式的非完整约束，如公式(1)：其中，θ是小车横轴与惯性坐标系的X轴之间的夹角，它可以表示机器人的位姿角，A(q)＝[sinθ-cosθ0]，是系统的位姿；则系统位姿在局部坐标系xoy和惯性坐标系XoY之间的相互转换如公式(2)：2CN106125728A权利要求书2/5页其中，为机器人在局部坐标系下的位姿，vx为机器人速度在x轴上的分量，vy为机器人速度在y轴上的分量，ω为机器人的角速度；在Pfaffian形式的非完整约束以及系统模型的基础上便可以推出系统的运动学模型，如公式(3)：其中，v是机器人车轮的线速度，ω为机器人的角速度。4.如权利要求2所述的一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述动力学模型的建立方法如下：一般轮式移动机器人的动力学模型，如公式(4)：其中，M(q)为正定对称的惯性矩阵；为相关与速度和位置的哥氏力矩阵与向心力；为摩擦力；G(q)为重力项；τd为包括非结构化未建模动态有界未知扰动向量；B(q)T为输入变换矩阵；τ＝[τLτR]为转矩输入矢量，在某些情况下，与驱动电机的转矩相等；λ为约束力向量，是特殊的内部变量；通过对公式(3)求导，可得公式(5)如下：假设系统动力学模型的不确定性是有界的，且满足|τvd|≤ρv(τ)|τωd|≤ρω(τ)τvd为线速度的不确定参数，τωd为角速度的不确定