轮式移动机器人的变结构控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102269995A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102269995A(43)申请公布日2011.12.07(21)申请号201110169879.9(22)申请日2011.06.22(71)申请人重庆大学地址400044重庆市沙坪坝区沙正街174号(72)发明人孙棣华廖孝勇刘卫宁赵敏李硕崔明月何伟郭磊李陆孙焕山(74)专利代理机构北京同恒源知识产权代理有限公司11275代理人赵荣之(51)Int.Cl.G05D1/02(2006.01)权利要求书3页说明书8页附图4页(54)发明名称轮式移动机器人的变结构控制方法(57)摘要本发明公开了一种轮式移动机器人的变结构控制方法，采用多模态PID控制方法来控制机器人的直线移动；采用PID控制与规则控制相结合的控制方法来校正小车的前进方向；这两种控制方式通过方向角和中心偏移量的变化进行转换，机器人的转弯控制通过转弯方向信息与位置信息来控制机器人以原地直角转弯方式进行转弯，本发明采用多模态PID控制和规则控制与PID控制相结合，该算法针对机器人所处的不同状态采用不同的控制算法以及相应的控制参数，有效地提高和改善了机器运动控制性能，按照误差的变化情况来划分控制模态，更合理地模拟了人的控制行为，较传统的PID控制方法，具有一定的智能性，提高了机器人行走运动控制品质。CN102695ACCNN110226999502270004A权利要求书1/3页1.轮式移动机器人的变结构控制方法，所述轮式移动机器人包括左轮、右轮、驱动器、前排磁传感器、后排磁传感器、轮式移动机器人车体、RFID读写器，所述驱动器控制电机转速，其特征在于：包括直线行走控制和转弯控制，所述直线行走控制，根据机器人左轮和右轮驱动电机的差别信息来控制机器人直线移动和校正机器人的前进方向；所述转弯控制，根据RFID标签提供转弯的转弯方向信息与磁条提供的转弯位置信息来确定机器人转弯所需信息，采用原地直角转弯方式完成来控制转弯动作。2.根据权利要求1所述的轮式移动机器人的变结构控制方法，其特征在于：所述直线行走控制为变结构控制方式，包括内部控制环和外部控制环，所述内部控制环采用多模态PID控制方法来控制机器人的直线移动；所述外部控制环采用PID控制与规则控制相结合的控制方法来校正小车的前进方向；所述内部控制环和外部控制环按照以下条件进行转换：当方向角θ＝0且中心偏移量η＜d时，由内部控制环控制机器人的前进，否则由外部控制环来调整机器人的前进方向；其中d为两相邻磁传感器间隔。3.根据权利要求2所述的轮式移动机器人的变结构控制方法，其特征在于：所述多模态PID控制方法包括以下步骤：S1：计算多模态PID控制中的系数Kp、Ki、Kd，其中Kp表示比例系数，Ki表示积分系数，Kd表示微分系数；S2：输入采集到的机器人移动信息y(k)，y(k)为当前时刻左轮和右轮转速差；S3：计算偏差e(k)＝r(k)-y(k)，其中y(k)表示本次采样输入量；r(k)表示给定输入量；e(k)表示给定输入量与本次采样输入量的偏差；S4：通过以下公式计算控制量：u(k)＝u(k-1)+Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))其中，e(k)表示给定输入量与本次采样输入量的偏差；e(k-1)表示给定输入量与上次输入量之间的偏差；e(k-2)表示给定量与上上次采样输入量之间的偏差；u(k)表示需输出的控制量；u(k-1)表示上一次输出的控制量；S5：输出控制量u(k)，通过机器人驱动模块驱动电机控制机器人的运动；S6：通过以下公式修改偏差，将本次偏差设置为下一次偏差，将下一次偏差设置为上上次偏差：e(k)→e(k-1)，e(k-1)→e(k-2)；S7：判断采样时间是否到，如果未到达，则记录采样时间直到采样时间结束，进入下一步；S8：如果采样时间完毕，则返回步骤S2进行下一次采样输入。4.根据权利要求3所述的轮式移动机器人的变结构控制方法，其特征在于：所述步骤计算控制量中在计算控制量前还要先按照机器人左轮和右轮转速差的变化情况来划分PID的模态，所述PID模态划分按照以下方式进行：当左轮和右轮转速差小于预设最小阈值时，使用PID控制；当左轮和右轮转速差大于预设最大阈值时，使用P控制；当左轮和右轮转速差在预设最小阈值和预设最大阈值之间时，使用PI控制；所述预设最小阈值取1r/min，所述预设最大阈值取2r/min。2CCNN110226999502270004A权利要求书2/3页5.根据权利要求2所述的轮式移动机器人的变结构控制方法，其特征在于：所述外部控制环包括以下步骤：S21：利用机器人前后端的磁传感器和磁条位置来采集机器人的位置偏差信号并计算出机器人的姿态；S2