一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术公开了一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，首先，建立考虑钢砂堆积路面滑移特性及其阻力的喷砂除锈并联机器人移动平台动力学模型。然后，通过车载加速度计测量得到车体实际加速度值，通过编码器测量得到车轮转速值，并由上述两个测量值计算滑移率误差λ

【技术实现步骤摘要】
一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法本专利技术涉及低附着路面下移动平台轨迹跟踪领域，尤其涉及一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，着重解决移动平台低附着钢砂路面轨迹跟踪的空转问题。
技术介绍
为实现对钢箱梁的喷砂除锈，一种钢砂除锈并联机器人被研制，其由末端喷枪、Stewart型六自由度并联操作机构、升降机构和移动平台构成。其移动平台具有承载性强、机动性好等优点。但从控制角度，由于钢砂堆积地面的低附着性、car-likemobilerobot(CLMR)类型移动平台转向过度等因素，移动平台进行轨迹跟踪时极易产生空转现象，影响轨迹跟踪精度。为实现钢砂除锈并联机器人移动平台运行的稳定性和准确性，有必要对其防空转轨迹跟踪控制技术进行研究。文献《纵向打滑状态下轮式移动机器人轨迹跟踪控制》(贝旭颖等，中国机械工程.2018)建立了带打滑参数的运动学模型，并设置了滑模观测器对打滑参数进行估计，在轨迹跟踪的基础上实现了对滑移距离的补偿。该方法仅从运动学角度将滑移距离作为外部扰动进行补偿，只能实现滑移率较小情况下的轨迹跟踪控制，当滑移率大于最佳滑移率时轨迹跟踪的效果不理想。文献《采用滑模变结构的电动车最佳滑移率控制的研究》(葛英辉等，江南大学学报.2004)以滑移率为控制目标，以保证电动车加速时的滑移率在最佳滑移率附近，获得最佳路面附着力。该方法仅采用滑移率控制解决打滑问题，未考虑轨迹跟踪误差，因此车体的轨迹跟踪精度不高。
技术实现思路
为克服以上现有技术的不足，本专利技术针对钢砂除锈并联机器人移动平台，提出一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，以解决移动平台低附着钢砂路面轨迹跟踪的空转问题。本专利技术的技术方案为：一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，包括如下步骤：1)根据喷砂除锈并联机器人喷砂工艺要求，并充分考虑移动平台运行稳定性，设计“光栅”型喷砂路径、“S曲线”加减速作为移动平台期望轨迹；根据钢砂滑移特性曲线，定义期望滑移率；2)根据钢砂物理特性建立驱动轮的bekker承压模型，并由滑移特性曲线计算出滑移率对该模型中驱动力的“削弱量”，由此建立考虑钢砂堆积路面滑移特性及其阻力的喷砂除锈并联机器人移动平台动力学模型；3)基于步骤2)中的模型，设计了一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，在该方法中，通过车载加速度计测量得到车体实际加速度值，通过编码器测量得到车轮转速值，并由上述两个测量值计算滑移率误差λe并判断移动平台是否发生空转，依据移动平台发生空转情况，采用不同的控制方法，以实现移动平台的高性能轨迹跟踪运动控制；移动平台未发生空转(λe＝0)时，系统进行钢砂阻力输入补偿跟踪误差光滑滑模轨迹跟踪控制；发生完全空转(λe＝1)时，系统根据钢砂路面滑移特性曲线确定最佳滑移率，进行滑移率误差控制；在发生不完全空转(0＜λe＜1)时，系统以可变模糊权值系数进行钢砂阻力输入补偿跟踪误差光滑滑模轨迹跟踪控制和滑移率误差控制的复合控制；4)采用“上位机+下位机”结构构建喷砂除锈并联机器人控制系统；5)将计算所得的驱动轮控制指令发送至各个电机驱动器，使喷砂除锈并联机器人移动平台按期望轨迹运动。进一步，所述步骤2)中，由滑移特性曲线计算出滑移率λ大于最佳滑移率λmax时，牵引力的“削弱量”为：式中C1、C2、C3为钢砂的滑移特性参数，Fpmax为最佳滑移率下对应的驱动力；由驱动轮bekker承压模型计算钢砂路面行驶阻力为：式中，r为轮子半径，b为轮子宽度，σm为最大应力，θ为车轮角，θm为最大应力对应的车轮角，θ1为最大车轮角；由此建立考虑钢砂堆积路面滑移特性及其阻力的移动平台动力学模型：式中，为移动平台世界坐标系下的速度向量和加速度向量，单位为m/s和m/s2；τx为力矩的“削弱量”，单位为N；τ为力矩输入向量，单位为N；M，C分别为质量矩阵和离心力矩阵；B输入变换矩阵；FB为钢砂阻力，单位为N。进一步，所述步骤3)中，当移动平台未发生空转(λe＝0)时，系统进行钢砂阻力输入补偿跟踪误差光滑滑模轨迹跟踪控制，设计控制律为：式中，K为控制增益，S为滑模面，为移动平台世界坐标系下的期望加速度，单位为m/s2，为轨迹跟踪误差的微分，单位为m；当移动平台发生完全空转(λe＝1)时，系统进行滑移率误差控制，设计控制律为：式中，k为控制增益，s为滑模面，m为车轮质量，单位为kg；v为车轮速度，单位为m/s，λi为车轮滑移率，J为车轮转动惯量，单位为N·m，η为黏着系数，g为重力加速度常数，TB为钢砂堆积阻力对车轮力矩的影响；当移动平台发生不完全空转(0＜λe＜1)时，系统进行具有可变模糊权值系数的钢砂阻力输入补偿跟踪误差光滑滑模轨迹跟踪控制和滑移率误差控制的复合控制，设计复合控制律为：aTmi+(1-a)Tni(0＜a＜1)(6)式中，a为模糊权值系数；以滑移率误差及其导数为输入，以复合控制权值系数为输出，所设计权值系数的模糊规则为：滑移率误差小时，权值系数a取大，系统主要进行跟踪误差的光滑滑模轨迹跟踪控制，并以滑移率误差控制作为力矩补偿；滑移率误差中等时，权值系数a取值中等，系统均等地进行跟踪误差的光滑滑模轨迹跟踪控制和滑移率误差控制；滑移率误差大时，权值系数a取小，系统主要进行滑移率误差控制，并以跟踪误差的光滑滑模轨迹跟踪控制作为力矩补偿。本专利技术首次提出一种结合bekker承压模型、滑移特性、模糊控制技术、光滑滑模控制技术的控制方法，实现对钢砂除锈并联机器人移动平台的高性能防空转轨迹跟踪控制，其特点和有益效果如下：1)根据钢砂物理特性建立驱动轮的bekker承压模型，并由滑移特性曲线计算出滑移率对该模型中驱动力的“削弱量”，建立了考虑钢砂堆积路面滑移特性及其阻力的移动平台动力学模型，由于该模型较为精准地表征了移动平台在空转情况下的动力学特性，因此基于该模型，易于设计能够使移动平台实现防空转高性能轨迹跟踪的控制律。2)提出了具有强鲁棒性的钢砂阻力输入补偿光滑滑模轨迹跟踪控制方法，该方法可以实现移动平台未发生空转情况下的高性能轨迹跟踪控制。3)控制系统可以根据移动平台是否发生空转情况，采用钢砂阻力输入补偿光滑滑模轨迹跟踪控制、滑移率控制或SSCSSC和SC的复合控制，能够实现移动平台防空转高性能轨迹跟踪运动控制。附图说明图1是喷砂除锈并联机器人整体结构图。图2为大型钢箱梁常见结构示意图。图3为bekker承压模型和滑移特性曲线图；(a)为承压模型；(b)为滑移特性曲线。图4为喷砂除锈并联机器人移动平台前进后退方向的受力图。图5为喷砂除锈并联机器人移动平台结构俯视图。图6为喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法原理总图图7为未发生空转(λe＝0)时钢砂阻力输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：/n1)根据喷砂除锈并联机器人喷砂工艺要求，并充分考虑移动平台运行稳定性，设计“光栅”型喷砂路径、“S曲线”加减速作为移动平台期望轨迹；根据钢砂滑移特性曲线，定义期望滑移率；/n2)根据钢砂物理特性建立驱动轮的bekker承压模型，并由滑移特性曲线计算出滑移率对该模型中驱动力的“削弱量”，由此建立考虑钢砂堆积路面滑移特性及其阻力的喷砂除锈并联机器人移动平台动力学模型；/n3)基于步骤2)中的模型，设计了一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，在该方法中，通过车载加速度计测量得到车体实际加速度值，通过编码器测量得到车轮转速值，并由上述两个测量值计算滑移率误差λ

【技术特征摘要】
1.一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)根据喷砂除锈并联机器人喷砂工艺要求，并充分考虑移动平台运行稳定性，设计“光栅”型喷砂路径、“S曲线”加减速作为移动平台期望轨迹；根据钢砂滑移特性曲线，定义期望滑移率；
2)根据钢砂物理特性建立驱动轮的bekker承压模型，并由滑移特性曲线计算出滑移率对该模型中驱动力的“削弱量”，由此建立考虑钢砂堆积路面滑移特性及其阻力的喷砂除锈并联机器人移动平台动力学模型；
3)基于步骤2)中的模型，设计了一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，在该方法中，通过车载加速度计测量得到车体实际加速度值，通过编码器测量得到车轮转速值，并由上述两个测量值计算滑移率误差λe并判断移动平台是否发生空转，依据移动平台发生空转情况，采用不同的控制方法，以实现移动平台的高性能轨迹跟踪运动控制；移动平台未发生空转(λe＝0)时，系统进行钢砂阻力输入补偿跟踪误差光滑滑模轨迹跟踪控制；发生完全空转(λe＝1)时，系统根据钢砂路面滑移特性曲线确定最佳滑移率，进行滑移率误差控制；在发生不完全空转(0＜λe＜1)时，系统以可变模糊权值系数进行钢砂阻力输入补偿跟踪误差光滑滑模轨迹跟踪控制和滑移率误差控制的复合控制；
4)采用“上位机+下位机”结构构建喷砂除锈并联机器人控制系统；
5)将计算所得的驱动轮控制指令发送至各个电机驱动器，使喷砂除锈并联机器人移动平台按期望轨迹运动。


2.根据权利要求1所述的一种喷砂除锈并联机器人移动平台防空转高性能轨迹跟踪控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，由滑移特性曲线计算出滑移率λ大于最佳滑移率λmax时，牵引力的“削弱量”为：



式中C1、C2、C3为钢砂的滑移特性参数，Fpmax为最佳滑移率下对应的驱动力；
由驱动轮bekker承压模型计算钢砂路面行驶阻力为：



式中，r为轮子半径，b为轮子宽度，σm为最大应力，θ为车轮角，θm为最大应力对应的车轮角，θ1为最大车轮角...

【专利技术属性】
技术研发人员：高国琴，卢国健，胡颖健，
申请(专利权)人：江苏大学，镇江蓝舶科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32