一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：根据光电编码器获取的移动机器人左右轮角速度，得到机器人的实际线速度和角速度，并计算偏差；根据红外线和陀螺仪获取的轮式移动机器人的位姿，计算得到参考位姿与实际位姿的偏差；建立非完整约束移动机器人模型，将其转换为一个角速度相关的二阶子系统和一个线速度相关的三阶子系统，进一步得到移动机器人的控制量，由控制量得到移动机器人的输入转矩。本发明专利技术能在未知参数和外界扰动的情况下实现对移动机器人的轨迹跟踪控制，可以使移动机器人的位姿跟踪误差收敛到一个包含原点的任意小邻域内，跟踪效果好，具有较强的鲁棒性。

Variable structure adaptive trajectory tracking control method for mobile robot

Variable structure adaptive trajectory tracking control method of the present invention discloses a mobile robot, which comprises the following steps: according to the mobile robot photoelectric encoder gets left and right wheel angular velocity, linear velocity and angular velocity of real robot, and calculate the deviation; according to the position of the wheeled mobile robot for infrared and gyroscope, calculating the deviation from the reference position with the actual pose; establish non holonomic mobile robot model, convert it to three order subsystem of an angular velocity related to the Nikai Ko system and a line speed, further control of mobile robot, the input torque of the mobile robot is controlled by the amount of. The invention can realize the trajectory tracking control of mobile robot in unknown parameters and external disturbance, can make the mobile robot pose tracking error converges to a small neighborhood of the origin contains arbitrary, good tracking effect, strong robustness.

【技术实现步骤摘要】
一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法
本专利技术属于移动机器人的轨迹跟踪控制领域，尤其涉及到一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法。
技术介绍
移动机器人是一种将环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能综合于一体的移动平台，具备高度自规划、自组织和自适应能力，可在无人干预和复杂环境下有目的地自主运动，并完成特定的作业功能。由于移动机器人在物料自动搬运、特殊人群服务、抢险救灾、未知和危险地域探索等方面应用具有不可比拟的优势，已广泛地应用于工农业、服务业、国防、宇宙探索等领域，对人类社会的生产和生活产生了积极而深远的影响。非完整移动机器人是一种典型的多输入多输出耦合欠驱动非线性系统，其运动控制问题极具挑战性。一方面，应当考虑实际系统一些被忽略的固有非线性特性，如摩擦、间隙、执行器饱和等；另一方面，系统还会受到外界扰动以及未知参数的影响，这些因素造成实际系统与理想数学模型出现较大的偏差。基于理想数学模型所设计的控制律往往难以达到所需的控制指标，甚至会引起系统不稳定。需设法来消除系统不确定性的不利影响，这给运动控制带来了更大的挑战。因此，解决复杂情况下非完整移动机器人的运动控制问题具有重要的理论意义和应用价值。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术旨在解决如何在未知参数和外界扰动的情况下实现移动机器人的轨迹跟踪控制。技术方案：一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：步骤(1)：根据光电编码器获取的移动机器人左右轮角速度，得到机器人的实际线速度和角速度υ,ω，并计算偏差υ-υr,ω-ωr，其中υr,ωr分别为参考线速度和角速度；根据红外线和陀螺仪获取的轮式移动机器人的位姿(x,y,θ)，计算得到参考位姿(xr,yr,θr)与实际位姿(x,y,θ)的偏差(xe,ye,θe)；步骤(2)：根据步骤(1)中(xe,ye,θe)建立非完整约束移动机器人误差模型，将其转换为一个角速度相关的二阶子系统∑1和一个线速度相关的三阶子系统∑2，即其中，u1和u2分别为子系统∑1和∑2的控制输入；J为机器人转动惯量，m是机器人质量，d1(t)和d2(t)为外部扰动；步骤(3)：根据步骤(2)中的θe选择快速非奇异终端滑模面s1；针对二阶子系统∑1，设计自适应律对扰动f1进行估计，从而得到子系统∑1控制输入u1；步骤(4)：根据步骤(2)中的(xe,ye)选择快速非奇异终端滑模面s2；针对三阶子系统∑2，设计自适应律对扰动f2进行估计，从而得到子系统∑2控制输入u2；步骤(5)：由步骤(3)中的控制输入u1和步骤(4)中的控制输入u2，从而得到移动机器人左右轮驱动电机的力矩控制量进一步的，所述步骤(3)中所选择的快速非奇异终端滑模面s1为：其中，p＝p1/p2(p1，p2为正奇数)，且满足0＜p＜1以及l1＝(2-p)εp-1，l2＝(p-1)εp-2；sign(·)为符号函数。进一步的，所述步骤(3)中所设计的自适应律为：其中，分别是ψ1和φ1的估计值；ε1＞0和ε2＞0为常数；进一步的，所述步骤(3)中得到的控制输入u1为：其中，α1＞0和σ1＞0为常数；用来估计集总扰动f1，其设计如下：进一步的，所述步骤(4)中所选择的快速非奇异终端滑模面s2为：其中ωe＝xe-sign(ωr)ye。进一步的，所述步骤(4)中所设计的自适应律为：其中，分别是ψ2和φ2的估计值；ε3＞0和ε4＞0为常数；进一步的，所述步骤(4)中所得到的控制输入u2为：其中，α2＞0和σ2＞0为常数，用来估计集总扰动f2，其设计如下：有益效果：本专利技术能在未知参数和外界扰动的情况下实现对移动机器人轨迹跟踪控制，与现有技术不同欧冠，本专利技术避免了利用反步法迭代设计虚拟控制器带来的积分膨胀问题。仿真实验表明，本专利技术可以使移动机器人的位姿跟踪误差收敛到一个包含原点的任意小邻域内，跟踪效果好，具有较强的鲁棒性。附图说明图1是本专利技术的示意图；图2是本专利技术中非完整约束移动机器人模型示意图；图3是本专利技术中移动机器人跟踪曲线轨迹的位姿跟踪误差图；图4是本专利技术中移动机器人跟踪曲线轨迹的估计状态曲线图；图5是本专利技术中移动机器人跟踪曲线轨迹的轨迹曲线图；图6是本专利技术中移动机器人跟踪曲线轨迹时的左右轮转矩控制量。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：如图1-图6所示，本专利技术提出的一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法，包括如下具体步骤：步骤(1)：利用光电编码器获取移动机器人左右轮角速度，从而得到机器人的实际线速度和角速度υ,ω，并计算偏差υ-υr,ω-ωr，其中υr,ωr分别为参考线速度和角速度；利用红外线和陀螺仪获取轮式移动机器人的位姿(x,y,θ)；计算参考位姿(xr,yr,θr)与实际位姿(x,y,θ)的偏差(xe,ye,θe)；步骤(2)：根据步骤(1)中(xe,ye,θe)建立非完整约束移动机器人误差模型，将其转换为一个角速度相关的二阶子系统∑1和一个线速度相关的三阶子系统∑2，即其中，u1和u2分别为子系统∑1和∑2的控制输入；J为机器人转动惯量，m是机器人质量，d1(t)和d2(t)为外部扰动；步骤(3)：根据步骤(2)中的θe选择合适的快速非奇异终端滑模面s1；针对二阶子系统∑1，设计自适应律对扰动f1进行估计，从而得到移动机器人的控制输入u1；所选择的快速非奇异终端滑模面s1：其中，p＝p1/p2(p1，p2为正奇数)，且满足0＜p＜1以及l1＝(2-p)εp-1，l2＝(p-1)εp-2。利用自适应律抑制扰动对系统的影响，所选择的自适应律为：其中，分别是ψ1和φ1的估计值，ε1＞0和ε2＞0为常数；步骤(4)：根据步骤(2)中的(xe,ye)选择合适的快速非奇异终端滑模面s2；针对三阶子系统∑2，设计自适应律对扰动f2进行估计，从而得到移动机器人的控制量u2；步骤(5)：由步骤(3)中的控制输入u1和步骤(4)中的控制输入u2，得到移动机器人左右轮驱动电机的力矩控制量在具体实例中，针对角速度相关的二阶子系统∑1和线速度相关的三阶子系统Σ2，分别设计自适应控制输入u1和u2，步骤如下：步骤1：移动机器人的运动学模型为约束条件是(x,y,θ)是移动机器人位姿，(x,y)为质心在世界坐标系中的坐标，θ为机器人姿态角，υ,ω分别是机器人的线速度和角速度。参考模型(xr,yr,θr)是参考位姿，(vr,wr)是参考线速度和角速度。从而，得到移动机器人位姿误差方程步骤2：根据执行机构以及周围的环境，建立一个角速度相关的二阶子系统Σ1和一个线速度相关的三阶子系统Σ2，即步骤3：针对子系统Σ1，设计快速非奇异终端滑模面s1：其中，p＝p1/p2(p1，p2为正奇数)，且满足0＜p＜1以及l1＝(2-p)εp-1，l2＝(p-1)εp-2。通过计算，得其中，以及外部扰动和未知参数的集总扰动f1满足：其中，a1＞0和b1＞0是未知上界。设计如下控制器：其中，α1＞0是常数，分别是ψ1和φ1的估计值，ψ1＝a12，φ1＝b12，ε1＞0和ε2＞0为常数。设计如下自适应律：将代入到得其中，选取李雅普诺夫函数其中，利用Young不等式，并对V1求导得：其中，由有界定理知，整个闭环系统一致最终有界。从而得到是有界的，即δ2为正常数。为实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：根据光电编码器获取的移动机器人左右轮角速度，得到机器人的实际线速度和角速度υ,ω，并计算偏差υ‑υr,ω‑ωr，其中υr,ωr分别为参考线速度和角速度；根据红外线和陀螺仪获取的轮式移动机器人的位姿(x,y,θ)，计算得到参考位姿(xr,yr,θr)与实际位姿(x,y,θ)的偏差(xe,ye,θe)；步骤(2)：根据步骤(1)中(xe,ye,θe)建立非完整约束移动机器人误差模型，将其转换为一个角速度相关的二阶子系统∑1和一个线速度相关的三阶子系统∑2，即

【技术特征摘要】
1.一种移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤(1)：根据光电编码器获取的移动机器人左右轮角速度，得到机器人的实际线速度和角速度υ,ω，并计算偏差υ-υr,ω-ωr，其中υr,ωr分别为参考线速度和角速度；根据红外线和陀螺仪获取的轮式移动机器人的位姿(x,y,θ)，计算得到参考位姿(xr,yr,θr)与实际位姿(x,y,θ)的偏差(xe,ye,θe)；步骤(2)：根据步骤(1)中(xe,ye,θe)建立非完整约束移动机器人误差模型，将其转换为一个角速度相关的二阶子系统∑1和一个线速度相关的三阶子系统∑2，即其中，u1和u2分别为子系统∑1和Σ2的控制输入；J为机器人转动惯量，m是机器人质量，d1(t)和d2(t)为外部扰动；步骤(3)：根据步骤(2)中的θe选择快速非奇异终端滑模面s1；针对二阶子系统Σ1，设计自适应律对扰动f1进行估计，从而得到子系统Σ1控制输入u1；步骤(4)：根据步骤(2)中的(xe,ye)选择快速非奇异终端滑模面s2；针对三阶子系统Σ2，设计自适应律对扰动f2进行估计，从而得到子系统Σ2控制输入u2；步骤(5)：由步骤(3)中的控制输入u1和步骤(4)中的控制输入u2，从而得到移动机器人左右轮驱动电机的力矩控制量2.根据权利要求1所述的移动机器人的变结构自适应轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中所选择的快速非奇异终端滑模面s1为：其中，p＝p1/p2(p1，p2为正奇数)，且满足0＜p＜1以及l1＝(2-p)εp-1，l2＝(p-1)εp-2；sign(·)为符号函数。3.根据权利要求1所述的移...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟军勇，宋志宝，费树岷，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32