轨迹跟踪控制方法、装置及移动机器人制造方法及图纸

本申请涉及一种轨迹跟踪控制方法、装置及移动机器人，所述方法通过获取移动机器人的当前速度数据和当前位姿数据；对参考位姿数据和当前位姿数据进行处理，得到位姿误差数据，结合参考速度数据得到辅助速度控制输入，使位姿误差数据收敛至第一阈值；对辅助速度数据和当前速度数据进行处理，得到速度误差数据；根据预设线性扩张状态观测器对集总扰动进行估计，设计自抗扰控制器驱动移动机器人，使其速度误差数据收敛至第二阈值，实现对移动机器人的精准轨迹跟踪，克服了未知纵滑和侧滑扰动、建模不确定性、未知输入扰动及执行器动力学影响导致的移动机器人失控问题，增强了移动机器人轨迹跟踪控制的鲁棒性。迹跟踪控制的鲁棒性。迹跟踪控制的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
轨迹跟踪控制方法、装置及移动机器人


[0001]本申请涉及移动机器人
，特别针对轨迹跟踪控制方法、装置及移 动机器人。

技术介绍

[0002]随着家居生活日益智能化，由于移动机器人(WMR)融合了传感器技术、控制 技术、计算机技术等多种技术的相关知识和最新研究成果，以其方便快捷、多 功能、高智能而受到越来越广泛的关注。移动机器人中例如扫地机器人、拖地 机器人和服务机器人等具备自行走功能的机器人是典型的非完整系统，其运动 控制问题是目前研究的重点和难点之一。
[0003]在实现过程中，专利技术人发现传统技术中至少存在如下问题：目前对移动机 器人运动控制方案的研究大多建立在“纯滚动无滑动”理想约束的基础上。然 而在实际运行时，由于轮胎变形、路面潮湿或结冰、快速转弯等因素的影响， 容易出现轮子纵向打滑(纵滑)或侧向打滑(侧滑)的情况，此时会破坏系统 的非完整约束，使移动机器人的运动控制设计变得更为复杂，导致移动机器人 失控。

技术实现思路

[0004]基于此，有必要针对上述纵滑和侧滑扰动导致的移动机器人失控问题，提 供一种轨迹跟踪控制方法、装置及移动机器人。
[0005]为实现上述目的，本专利技术实施例提供了一种轨迹跟踪控制方法，包括：
[0006]获取移动机器人的当前速度数据和当前位姿数据；所述当前速度数据为基 于预设的动力学模型处理得到；所述当前位姿数据为基于预设的运动学模型处 理得到；
[0007]基于预先建立的运动学控制模块，对所述移动机器人的参考位姿数据和当 前位姿数据进行处理，得到位姿误差数据，结合所述移动机器人的参考速度数 据得到所述移动机器人的辅助速度用于控制所述移动机器人，使其位姿误差数 据收敛至第一阈值；
[0008]基于预先建立的动力学控制模块，对所述移动机器人的辅助速度数据和当 前速度数据进行处理，得到速度误差数据，并结合实际速度及集总扰动的估计 值，得到驱动电机控制电压用于驱动所述移动机器人，使其速度误差数据收敛 至第二阈值。
[0009]在其中一个实施例中，所述预先建立的运动学控制模块的步骤包括：
[0010]对所述移动机器人的参考位姿数据和当前位姿数据进行处理，得到位姿误 差数据；结合所述移动机器人的参考速度数据，利用反步法得到所述辅助速度 数据。
[0011]在其中一个实施例中，所述辅助运动学控制模块为通过以下函数得到：
[0012][0013]其中v
c
、ω
c
分别为设计的移动机器人辅助线速度和角速度，v
r
、ω
r
分别为移 动机器人的参考线速度和参考角速度，k1、k2、k3为辅助运动学控制律控制参数， 且均为正常数，
e
x
为移动机器人纵向误差，e
y
为移动机器人侧向误差，e
θ
为移 动机器人方向误差。
[0014]在其中一个实施例中，所述的当前速度数据为基于预设的动力学模型处理 得到的步骤包括：
[0015]获取驱动电机控制电压；
[0016]根据电机模型，对所述驱动电机控制电压进行处理，得到驱动轮输入力矩；
[0017]根据所述动力学模型，对所述驱动轮输入力矩和所述预设集总扰动进行处 理，得到所述当前速度数据。
[0018]在其中一个实施例中，所述电机模型为通过以下函数得到：
[0019]τ＝K1u
a
‑
K2Xz
[0020]其中，τ＝[τ
r
τ
l
]T
，τ
r
为移动机器人右轮输入力矩，τ
l
为移动机器人左轮输 入力矩；u
a
＝[u
ar u
al
]T
，u
ar
为右轮驱动电机控制电压，u
al
为左轮驱动电机控制 电压；K1＝Nk
t
/R
a
，K2＝N2k
t
k
b
/R
a
，R
a
为左、右轮驱动电机的电枢电阻，k
t
为 左、右轮驱动电机的转矩常数，k
b
为左、右轮驱动电机的反电动势常数，N为机 械齿轮减速比；r为移动机器人驱动轮半径，b为两驱动轮之间 的二分之一距离；z为移动机器人的实际速度。
[0021]在其中一个实施例中，所述动力学模型为通过以下函数得到：
[0022][0023]其中，u
a
＝[u
ar u
al
]T
，u
ar
为右轮驱动电机控制电压，u
al
为左轮驱动电机控 制电压；K1＝Nk
t
/R
a
，K2＝N2k
t
k
b
/R
a
，R
a
为左、右轮驱动电机的电枢电阻，k
t
为左、右轮驱动电机的转矩常数，k
b
为左、右轮驱动电机的反电动势常数，N为 机械齿轮减速比；r为移动机器人驱动轮半径，b为两驱动轮之 间的二分之一距离；z为移动机器人的实际速度；d为对应预设集总扰动； M
s
＝S
T
MS，B
s
＝S
T
B，S为系统运动学模型中的变换矩阵，M为 系统动力学模型中的正定对称惯性矩阵，B为系统动力学模型中的输入力矩变 换矩阵。
[0024]在其中一个实施例中，所述运动学模型为通过以下函数得到：
[0025][0026]其中，z为移动机器人的实际速度；η＝[η
v
η
ω
]T
，η
v
＝r(ξ
r
+ξ
l
)/2为纵滑速 度，η
ω
＝r(ξ
r
‑
ξ
l
)/(2b)为纵滑引起的横摆率扰动，r为移动机器人驱动轮半径， 2b为两驱动轮之间的距离，ξ
l
、ξ
r
分别为移动机器人左、右驱动轮纵滑引起的干 扰角速度矢量；为移动机器人发生侧滑时引起的非 匹配扰动向量，μ为移动机器人侧滑速度；θ为移动机器人 的方向角。
[0027]在其中一个实施例中，所述预先建立的动力学控制模块包括自抗扰控制模 块；
[0028]所述基于预先建立的动力学控制模块，对所述移动机器人辅助速度数据和 所述当前速度数据进行处理，得到速度误差数据；
[0029]基于自抗扰控制模块，结合线性扩张状态观测器(LESO)对所述实际速度和 集总扰动的估计值，得到驱动电机电压控制输入，驱动移动机器人使其速度误 差数据收敛至第二阈值。
[0030]在其中一个实施例中，所述自抗扰控制模块为通过以下函数得到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：获取移动机器人的当前速度数据和当前位姿数据；所述当前速度数据为基于预设的动力学模型处理得到；所述当前位姿数据为基于预设的运动学模型处理得到；基于预先建立的运动学控制模块，对所述移动机器人的参考位姿数据和当前位姿数据进行处理，得到位姿误差数据，结合所述移动机器人的参考速度数据得到所述移动机器人的辅助速度用于控制所述移动机器人，使其位姿误差数据收敛至第一阈值；基于预先建立的动力学控制模块，对所述移动机器人的辅助速度数据和当前速度数据进行处理，得到速度误差数据，并结合实际速度及集总扰动的估计值，得到驱动电机控制电压用于驱动所述移动机器人，使其速度误差数据收敛至第二阈值。2.根据权利要求1所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述预先建立的运动学控制模块的步骤包括：对所述移动机器人的参考位姿数据和当前位姿数据进行处理，得到位姿误差数据；结合所述移动机器人的参考速度数据，利用反步法得到所述辅助速度数据。3.根据权利要求2所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述辅助运动学控制模块为通过以下函数得到：其中v
c
、ω
c
分别为设计的移动机器人辅助线速度和角速度，v
r
、ω
r
分别为移动机器人的参考线速度和参考角速度，k1、k2、k3为辅助运动学控制律控制参数，且均为正常数，e
x
为移动机器人纵向误差，e
y
为移动机器人侧向误差，e
θ
为移动机器人方向误差。4.根据权利要求1所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述的当前速度数据为基于预设的动力学模型处理得到的步骤包括：获取驱动电机控制电压；根据电机模型，对所述驱动电机控制电压进行处理，得到驱动轮输入力矩；根据所述动力学模型，对所述驱动轮输入力矩和所述预设集总扰动进行处理，得到所述当前速度数据。5.根据权利要求4所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述电机模型为通过以下函数得到：τ＝K1u
a
‑
K2Xz其中，τ＝[τ
r τ
l
]
T
，τ
r
为移动机器人右轮输入力矩，τ
l
为移动机器人左轮输入力矩；u
a
＝[u
ar u
al
]
T
，u
ar
为右轮驱动电机控制电压，u
al
为左轮驱动电机控制电压；K1＝Nk
t
/R
a
，K2＝N2k
t
k
b
/R
a
，R
a
为左、右轮驱动电机的电枢电阻，k
t
为左、右轮驱动电机的转矩常数，k
b
为左、右轮驱动电机的反电动势常数，N为机械齿轮减速比；r为移动机器人驱动轮半径，b为两驱动轮之间的二分之一距离；z为移动机器人的实际速度。6.根据权利要求4所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述动力学模型为通过以下函数得到：
其中，u
a
＝[u
ar u
al
]
T
，u
ar
为右轮驱动电机控制电压，u
al
为左轮驱动电机控制电压；K1＝Nk
t
/R
a
，K2＝N2k
t
k
b
/R
a
，R
a
为左、右轮驱动电机的电枢电阻，k
t
为左、右轮驱动电机的转矩常数，k
b
为左、右轮驱动电机的反电动势常数，N为机械齿轮减速比；r为移动机器人驱动轮半径，b为两驱动轮之间的二分之一距离；z为移动机器人的实际速度；d为对应预设集总扰动；M
s
＝S
T
MS，B
s
＝S
T
B，S为系统运动学模型中的变换矩阵，M为系统动力学模型中的正定对称惯性矩阵，B为系统动力学模型中的输入力矩变换矩阵。7.根据权利要求1所述的轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述运动学模型为通过以下函数得到：其中，z为移动机器人的实际速度；η＝[η
v η
ω
]
T
，η
v
＝r(ξ
r
+ξ
l
)/2为纵滑速度，η
ω
＝r(ξ
r

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：广州科语机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：