一种轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法技术

一种轮式移动舞台机器人的平摆线跟踪控制方法，针对欠驱动非线性的轮式移动舞台机器人实现平摆线跟踪控制需要，先通过定义轮式移动舞台机器人的离散时间三阶动力学模型和平摆线跟踪误差函数，再定义在有限时间窗口内的轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制问题，利用序列二次规划算法求解每个采样时刻平摆线跟踪最优控制序列，并结合滚动优化原理计算在每个采样时刻的平摆线跟踪控制量，实现轮式移动舞台机器人的平摆线跟踪控制。本发明专利技术设计方法的优点是理解简单、通用性强以及在线计算简便。

【技术实现步骤摘要】
一种轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法
本专利技术属于轮式移动舞台机器人控制领域，涉及一种轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法。
技术介绍
随着我国人民生活水平的提高和对文化建设的迫切需要，舞台演出艺术已成为我国日常文化生活的重要组成部分，其中轮式移动舞台机器人是呈现高品质舞台演出艺术的重要道具之一。通常在曲目演出过程中，舞台机器人需要根据演出曲目的变化快速跟踪指定的运动轨迹，与演艺人员及曲目在时间和空间位置实现完美配合。移动舞台机器人快速跟踪指定的运动轨迹，可视为移动机器人的轨迹跟踪控制问题。在移动舞台运动轨迹设计中，平摆线是一种非常重要且常见的舞台运动轨迹线。为实现移动舞台机器人的平摆线快速跟踪要求，需要设计一个反馈控制律使得移动舞台机器人渐近跟踪平摆线。由于轮式移动舞台机器人的位姿参数包括X轴和Y轴位置以及方向角三个变量，而控制变量包括车速和前轮偏角两个变量，因此是一个典型的欠驱动非线性控制系统，这对轮式移动舞台机器人的平摆线轨迹跟踪控制提出了挑战性。通过对现有轮式舞台机器人一般轨迹跟踪控制方法的文献的检索发现，轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法主要有：非连续轨迹跟踪控制、混杂轨迹跟踪控制和滑模轨迹跟踪控制，但由于平摆线运行需要舞台机器人自身旋转和前进同步驱动，非连续轨迹跟踪控制和混杂轨迹跟踪控制不能处理轮式移动舞台机器人的平摆线轨迹跟踪，而滑模轨迹跟踪控制需要人为构造抽象的滑模移动曲面，在实际应用中会产生抖动现象，从而影响舞台机器人运动的平稳性，危及演艺人员的安全和动作柔美性，而且这些轨迹跟踪控制方法理解复杂。因为轮式移动舞台机器人需要根据曲目变化按各种平摆线运动到相关舞台位置，控制实时性要求高，而且轮式移动舞台机器人又是一个典型的欠驱动非线性控制系统。因此，尽管轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究取得了一些成果，但近年来相关学者和演艺专家对于这个具有挑战性的重要难题仍然进行了大量细致地研究和探讨，以满足当前高品质舞台演出艺术对轮式移动舞台机器人的简便、灵活的轨迹跟踪控制的迫切要求。
技术实现思路
为了克服已有轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法的设置参数多、理解抽象和实现困难的不足，本专利技术提供一种理解直观、设计简单、易于实现的轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法，所述控制方法包括如下步骤：1)、输入需要跟踪的平摆线方程，参见式(1)：其中，常量a为拱的宽度，单位米，常量h为拱的宽度，单位米，常量w为平摆线旋转角速度，单位弧度/秒，变量k表示采样时刻；X(k)和Y(k)分别表示在k时刻平摆线在直角坐标系中横向和纵向上的位置坐标；2)、建立轮式移动舞台机器人移动过程的离散时间动力学模型，参见式(2)：其中，正常数Ts表示采样周期，单位秒；x1(k)和x2(k)分别表示在k时刻轮式移动舞台机器人在舞台直角坐标系中横向和纵向的位置坐标；x3(k)表示在k时刻轮式移动舞台机器人在直角坐标系中的方位角；u1(k)和u2(k)分别表示在k时刻轮式移动舞台机器人的线速度V和前轮偏角δ；l表示轮式移动舞台机器人的轴距；考虑模型式(2)，定义轮式移动舞台机器人的状态列向量x＝[x1x2x3]T和控制列向量u＝[u1u2]T，其中，符号T表示向量的转置；3)、将模型式(2)简记为式(3)：x(k+1)＝f(x(k),u(k))(3)其中，f(x(k),u(k))＝[f1(x(k),u(k))f2(x(k),u(k))f3(x(k),u(k))]T，f1(x(k),u(k))＝x1(k)+Tsu1(k)cosx3(k)，f2(x(k),u(k))＝x2(k)+Tsu1(k)sinx3(k)，f3(x(k),u(k))＝x3(k)+Tsu1(k)tanu2(k)，建立轮式移动舞台机器人的离散时间预测模型，参见式(4)：x(k+j+1|k)＝f(x(k+j|k),u(k+j|k)),j＝0,1,...,M-1(4)其中，x(k+j|k)表示轮式移动舞台机器人控制系统在时刻k对未来时刻k+j状态的预测向量；u(k+j|k)表示轮式移动舞台机器人控制系统在时刻k对未来时刻k+j控制变量的预测向量；正整数M表示优化时间窗口；4)、令U(k)＝[uT(k|k)uT(k+1|k)…uT(k+M-1|k)]T表示在k时刻由2M个元素组成的一个控制序列，定义平摆线跟踪误差函数J(x(k),U(k))，参见式(5)：其中，常量q1、q2、q3和q4分别为横向位置偏差、纵向位置偏差、线速度和前轮偏角的加权系数；5)、考虑模型式(2)，定义轮式移动舞台机器人的平摆线跟踪控制问题，参见式(6)：其中，符号“s.t.”表示约束；x(k)是轮式移动舞台机器人在k时刻的状态测量值；6)、利用序列二次规划算法求解式(6)，得到在k时刻的最优控制序列U*(k)，进而定义轮式移动舞台机器人在k时刻的平摆线跟踪控制量u(k)，参见式(7)：u(k)＝[I202…02]2×2MU*(k)(7)其中，符号I2表示2阶单位矩阵，符号02表示2阶零矩阵；7)、将控制量u(k)作用于轮式移动舞台机器人，在下一个采样时刻k+1到达后，检测轮式移动舞台机器人的运动状态x(k+1)，然后令k＝k+1并返回步骤5)，周而复始，直到轮式移动舞台机器人走完整一条平摆线为止。本专利技术的技术构思为：针对欠驱动非线性的轮式移动舞台机器人实现平摆线跟踪控制需要，先通过定义轮式移动舞台机器人的离散时间三阶动力学模型和平摆线跟踪误差函数，再定义在有限时间窗口内的轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制问题，利用序列二次规划算法求解每个采样时刻平摆线跟踪最优控制序列，并结合滚动优化原理计算在每个采样时刻的平摆线跟踪控制量，实现轮式移动舞台机器人的平摆线跟踪控制。本专利技术设计方法的优点是理解简单、通用性强以及在线计算简便。本专利技术主要执行部分在轮式移动舞台机器人运动控制计算机上运行实施。本方法应用过程可以大致分为3个阶段：1、参数设置：在参数导入界面中，输入平摆线参数a、h和w，输入采样周期Ts、优化时间窗口M和加权系数p1、p2、p3和p4，输入参数确认后，由控制计算机将设置数据送入计算机存储单元RAM中保存；2、离线调试：点击组态界面中的“调试”按钮，控制系统进入控制器离线仿真调试阶段，调整组态界面中的加权系数q1、q2、q3和q4，观察轮式移动舞台机器人状态变量即位置和方向角的跟踪效果，由此确定一个能良好实现轮式移动机器人平摆线跟踪控制的加权系数；加权系数q1、q2、q3和q4的取值规则：q1、q2、q3和q4取正实数；加权系数的调整规则：增大q1和q2可以提高轮式移动舞台机器人运动过程的快速性，但轮式移动舞台机器人容易产生运动轨迹的震荡，反之，减小q1和q2可以提高轮式移动舞台机器人运动过程的平稳性，但会减慢机器人的跟踪速度；q3和q4的调整规则与q1和q2的调整规则相反，增加q3和q4可以提高轮式移动舞台机器人运动过程的平稳性，但会减慢机器人的跟踪速度，减小q3和q4可以提高轮式移动舞台机器人运动过程的快速性，但轮式移动舞台机器人容易产生运动轨迹的震荡，因此，实际调试加权系数时，应权衡轮式移动舞台机器人平摆线跟踪响应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：1)、输入需要跟踪的平摆线方程，参见式(1)：

【技术特征摘要】
1.一种轮式移动舞台机器人平摆线跟踪控制方法，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：1)、输入需要跟踪的平摆线方程，参见式(1)：其中，常量a为拱的宽度，单位米，常量h为拱的宽度，单位米，常量w为平摆线旋转角速度，单位弧度/秒，变量k表示采样时刻；X(k)和Y(k)分别表示在k时刻平摆线在直角坐标系中横向和纵向上的位置坐标；2)、建立轮式移动舞台机器人移动过程的离散时间动力学模型，参见式(2)：其中，正常数Ts表示采样周期，单位秒；x1(k)和x2(k)分别表示在k时刻轮式移动舞台机器人在舞台直角坐标系中横向和纵向的位置坐标；x3(k)表示在k时刻轮式移动舞台机器人在直角坐标系中的方位角；u1(k)和u2(k)分别表示在k时刻轮式移动舞台机器人的线速度V和前轮偏角δ；l表示轮式移动舞台机器人的轴距；考虑模型式(2)，定义轮式移动舞台机器人的状态列向量x＝[x1x2x3]T和控制列向量u＝[u1u2]T，其中，符号T表示向量的转置；3)、将模型式(2)简记为式(3)：x(k+1)＝f(x(k),u(k))(3)其中，f(x(k),u(k))＝[f1(x(k),u(k))f2(x(k),u(k))f3(x(k),u(k))]T，f1(x(k),u(k))＝x1(k)+Tsu1(k)cosx3(k)，f2(x(k),u(k))＝x2(k)+Tsu1(k)sinx3(k)，f3(x(k),u(k))＝x3(k)+Tsu1(k)tanu2(k)，建立轮式移动舞台机器人的离散时间预测模型，参见式(4)：x(k+j+1|k)＝f(x(k+j|k),u(k+j|k)),j＝0,1,...,M-1(4)其中，x(k+j|k)表示轮式移动舞台机器人控制系统在时刻k对未来时刻k+j状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：何德峰，姬超超，倪洪杰，黄光普，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33