轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102880051A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102880051A(43)申请公布日2013.01.16(21)申请号201210355855.7(22)申请日2012.09.24(71)申请人上海大学地址200444上海市宝山区上大路99号(72)发明人刘吉成李斌唐森隆刘颖慧刘树林周晓君翟宇毅(74)专利代理机构上海上大专利事务所(普通合伙)31205代理人何文欣(51)Int.Cl.G05B13/04(2006.01)权利要求书权利要求书2页2页说明书说明书77页页附图附图33页(54)发明名称轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法(57)摘要本发明涉及一种轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法。包括步骤：根据车辆地面力学理论，分析轮式移动机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立以车轮滑转率为系统状态变量的轮式移动机器人行驶动力学模型；根据系统特征，确定系统的控制输入和控制输出，建立轮式移动机器人控制模型；建立轮式移动机器人车轮滑转率控制系统。本发明应用在对轮式移动机器人的驱动控制上，可以将轮式移动机器人的车轮滑转率控制在期望值上，这样就能在机器人行驶的过程中控制车轮的滑转程度，从而有效的提高轮式移动机器人的能源利用率。CN10285ACN102880051A权利要求书1/2页1.一种轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法，包括步骤：1）根据车辆地面力学理论，分析轮式移动机器人刚性车轮与地面的接触特性，建立轮式移动机器人行驶动力学模型；2）根据系统特征，确定系统的控制输入和控制输出，建立以车轮滑转率为系统状态变量的轮式移动机器人控制系统模型；3）设计系统中的模糊控制器和滑模控制器，建立轮式移动机器人驱动控制系统。2.如权利要求1所述轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法，其特征在于根据步骤1）中的车辆地面力学理论，轮式移动机器人车轮滑转率定义如下：（1）式中，ω为车轮的转动角速度，为车轮半径，为车轮移动速度，所建立的六轮轮式移动机器人单侧行走系统的动力学模型：（2）式中，m为轮式移动机器人的质量，为车轮加速度，为车轮编号，为车轮牵引力，为土壤阻力，IW为轮式移动机器人车轮转动惯量，为车轮角加速度，为车轮驱动电机输出转矩，为轮式移动机器人车轮阻力矩。3.如权利要求2所述轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法，其特征在于所述步骤2）中对轮式移动机器人的滑转率和行驶动力模型综合分析可得轮式移动机器人控制模型的状态空间方程：（3）式中状态变量为车轮滑转率，是控制模型的控制输出变量，为车轮驱动电机的输出转矩，在空间状态方程中为控制输入变量，和分别表达为：（4）式中，、、分别为轮1、2、3的滑转率；（5）式中，、、分别为轮1、2、3驱动电机的输出转矩；为状态空间方程的常量，为控制模型的控制输入变量系数，表达式分别为：（6）式中，、、分别为轮1、2、3的状态空间方程常量；（7）2CN102880051A权利要求书2/2页式中，、、分别为轮1、2、3控制模型的控制输入变量系数；综合式（1）、式（2）并简化得：（8）（9）控制模型中，六轮轮式移动机器人单侧三个车轮的滑转率s为状态变量，车轮电机的输出转矩T为控制模型的输入，其余状态变量为输出。4.如权利要求1所述轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法，其特征在于所述步骤4）中的设计系统的滑膜控制器：选取切换面函数：（10）式中，e为轮式移动机器人实际滑转率与期望滑转率的误差,为时间，采取指数趋近律：（11）式中，是指数趋近项，其解为，和为常数；设计模糊控制器，利用matlab中的模糊逻辑控制模块建立二维模糊控制器，模糊控制器的其中一个输入为车轮的实际滑转率与期望滑转率之间的误差以及误差变化率之和，另外一个输入变量为车轮的实际滑转率与期望滑转率之间的误差以及误差变化率之和的变化率，即，输出为趋近律控制参数，描述输入输出变量值的子集分别为S=[N=负,Z=零,P=正]，其中N、Z、P分别为三个不同的语言变量；=[N=负,Z=零,P=正]及U=[N=负,Z=零,P=正]；输入输出的变化范围均为(-3,3)；根据控制经验，采取的控制的规则为：若S是A，且是B，则U是C；模糊控制表如表1所示表1模糊控制规则表。3CN102880051A说明书1/7页轮式移动机器人的模糊滑模驱动控制方法技术领域[0001]本发明涉及一种轮式移动机器人的驱动控制方法，属于机器人控制系统及其控制算法领域。背景技术[0002]轮式移动机器人在代替人类从事危险作业、星球探测以及极地科考等工作中应用十分广泛。根据车辆地面力学的研究成果，轮式移动机器人车轮在土壤上行驶，土壤颗粒受力发生变形流动，车轮会产生滑转。当土壤提供的最大推力所对应的滑转率低于车轮滑转率时，车轮便形成滑转下陷。车轮的