轨迹柔顺切换的移动机器人自适应避障控制方法技术

本发明专利技术属于机器人控制与规划相关技术领域，其公开了一种轨迹柔顺切换的移动机器人自适应避障控制方法，方法包括：构建运动学模型和运动空间状态方程；构建自适应抗扰终端滑模面；设计等效控制律，并设计趋近律；以趋近律和等效控制律为参数构建前轮输入转角和后轮输入转角；以移动机器人的中心为圆心设置子目标点区域，并设置移动机器人与子目标区域移动速度的匹配关系；采用路径规划算法对机器人的路径进行规划；构建子目标点区域中目标点与移动机器人中心点的目标代价函数，以目标代价函数最优为目标实现对移动机器人运动轨迹的修正。本申请采用自适应分阶段滑模控制，既保证了收敛速度，又提升了稳定性，便于轨迹改变时平滑切换。切换。切换。

【技术实现步骤摘要】
轨迹柔顺切换的移动机器人自适应避障控制方法


[0001]本专利技术属于机器人控制与规划相关
，更具体地，涉及一种轨迹柔顺切换的移动机器人自适应避障控制方法。

技术介绍

[0002]移动机器人的轨迹跟踪控制方法设计对于移动机器人的高效运输和作业具有十分重要的意义，目前的轨迹跟踪控制通常针对特定的轨迹进行有目标性的轨迹误差控制，在移动机器人应用于动态障碍物较多的跟踪控制的过程中不考虑轨迹的改变，或是重规划的轨迹与原始轨迹的切换部分存在大幅度的轨迹角度和速度突变，从而造成切换过程的系统振荡，影响移动机器人的控制性能。常用的机器人控制方法有PID控制、模型预测控制和滑模控制等，其中，滑模控制由于其优秀的鲁棒性和易实施性在轨迹跟踪控制器的设计中得到了广泛的应用，但现有的滑模控制(例如，中国专利CN112327620)仍然存在以下问题：1)考虑控制系统收敛速度时仅考虑收敛到滑模面的时间，对到达滑模面系统的稳定性和误差收敛时间缺少关注；2)传统滑模控制在距滑模面较远和趋近滑模面时收敛速度保持一致，过大的收敛速度会导致趋近滑模面时系统发生振荡，影响移动机器人的运动精度，过小的收敛速度会导致系统趋近滑模面的速度过慢，降低移动机器人的自适应速度。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种轨迹柔顺切换的移动机器人自适应避障控制方法，采用自适应分阶段滑模控制，既保证了收敛速度，又提升了稳定性，便于轨迹改变时平滑切换。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种轨迹柔顺切换的移动机器人自适应避障控制方法，所述方法包括：S1：构建以航向角误差值为参数的运动学模型和运动空间状态方程；S2：基于所述运动空间状态方程构建线性滑模面和积分滑模面，并将所述线性滑模面和积分滑模面叠加获得自适应抗扰终端滑模面Θ：Θ＝Θ1+Θ2，其中，Θ1为线性滑模面，Θ2为积分滑模面，χ1，χ2，χ3，χ4为预设的控制增益，均大于0，β1，β2为预设的误差系数，β1＞1，1＞β2＞0，θ
e
为所述航向角误差值；S3：将所述自适应抗扰终端滑模面求导设计等效控制律，并基于所述自适应抗扰终端滑模面设计趋近律；S4：以所述趋近律和等效控制律为参数构建运动学模型所需的前轮输入转角和后轮输入转角；S5：待移动机器人需要避障时，以所述移动机器人的中心为圆心设置子目标点区域，并设置移动机器人与子目标区域移动速度的匹配关系；S6：采用路径规划算法对机器人的路径进行规划；S7：构建子目标点区域中目标点与移动机器人中心点的目标代价函数，以所述目标代价函数最优为目标实现对移动机器人运动轨迹的修正。
[0005]优选地，步骤S3中所述将所述自适应抗扰终端滑模面求导设计等效控制律具体为
对所述自适应抗扰终端滑模面求导并将其导函数赋值为0时获得所述等效控制律。
[0006]优选地，所述等效控制律Con为：
[0007][0008]其中，ρ＝V
l
/L，V
l
是移动机器人的轮系速度值，L为前轮中心和后轮中心轴向距离，θ
r
为航向角的参考值，表示对θ
r
进行一次求导操作，表示对θ
e
进行二次求导操作；
[0009]所述趋近律Ω为：
[0010][0011]其中，q1，q2满足以下条件：
[0012]q1＝m0+m
1 tanh(Θ
r
)
‑
m
2 tanh(λΘ2)
[0013][0014]其中，
[0015]各参数满足r＞0，λ＞0，0＜m2＜m0＜1，m1＞1，m0+m1‑
m2＞1。
[0016]h1，h2，h3满足h2，h2＞0，q为预设滑模面幂次参数，r为预设参数。
[0017]优选地，所述前轮转角δ
f
和后轮转角δ
r
满足如下关系式：
[0018][0019][0020]其中，Con为所述等效控制律，Ω为所述趋近律。
[0021]优选地，步骤S6中所述路径规划算法为向量直方图算法，所述向量直方图算法函数为：
[0022][0023]m
i，j
＝C
i，j2
(a
‑
bd
i，j
)
[0024][0025][0026][0027]k
f
＝k
n
+s
max
[0028][0029]其中，β
′
i，j
为世界坐标下特定障碍物到移动机器人的夹角，x
yj
为障碍物单元格y坐标，x
y0
为移动机器人当前y坐标，x
xj
为障碍物单元格x坐标，x
x0
为移动机器人当前x坐标，m
i，j
为单元格(i，j)处的障碍矢量大小，C
i，j
为获得单元格的障碍物确定值，a和b为障碍物密度参数，d
i，j
为单元格到机器人的距离，k为障碍物角度对应的扇形区域编号，α
′
为设定的角度分辨率，H
k
为极坐标障碍物密度函数，H
k
′
为平滑处理后的极坐标障碍物密度函数，l为平滑处理系数，k
f
为前进区域的远边界，k
n
为离目标点方向最近的小于密度临界值的角度方向，s
max
为设定的前进区域最大转角，θ
′
为移动机器人当前的参考前进方向。
[0030]优选地，步骤S6还包括采用所述移动机器人当前的参考前进方向θ
′
对所述移动机器人的运动空间状态方程进行修正。
[0031]优选地，所述子目标点区域中心的前讲控制方程为：
[0032][0033]Γ＝τ
·
cosψ(t)
[0034]d＝υ
·
sinζ
[0035][0036][0037][0038]其中，τ，υ∈R
+
，Γ为子目标点区域前进的动态调节因子，ψ为每一时刻移动机器人的航向与原始运动目标点在原始轨迹上的速度切线方向的夹角，t为t时刻，d为与障碍物相关的子目标点区域初始增量，ζ为检测到障碍物时雷达检测区域与障碍物重叠部分对应在区域内的圆弧角，分别为子目标点区域的上下界，其中κ∈R
+
，D(x)为子目标点区域。
[0039]优选地，所述目标代价函数为：
[0040]COST(i)＝α
·
SwitchAngel(x
i
，x
o
)+β
·
length(x
i
，x
o
)
[0041]其中，α，β为调参系数，Switch Angel为回归原始轨迹时机器人的速度方向和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轨迹柔顺切换的移动机器人自适应避障控制方法，其特征在于，所述方法包括：S1：构建以航向角误差值为参数的运动学模型和运动空间状态方程；S2：基于所述运动空间状态方程构建线性滑模面和积分滑模面，并将所述线性滑模面和积分滑模面叠加获得自适应抗扰终端滑模面Θ：Θ＝Θ1+Θ2其中，Θ1为线性滑模面，Θ2为积分滑模面，为积分滑模面，χ1，χ2，χ3，χ4为预设的控制增益，均大于0，β1，β2为预设的误差系数，β1＞1，1＞β2＞0，θ
e
为所述航向角误差值；S3：将所述自适应抗扰终端滑模面求导设计等效控制律，并基于所述自适应抗扰终端滑模面设计趋近律；S4：以所述趋近律和等效控制律为参数构建运动学模型所需的前轮输入转角和后轮输入转角；S5：待移动机器人需要避障时，以所述移动机器人的中心为圆心设置子目标点区域，并设置移动机器人与子目标区域移动速度的匹配关系；S6：采用路径规划算法对机器人的路径进行规划；S7：构建子目标点区域中目标点与移动机器人中心点的目标代价函数，以所述目标代价函数最优为目标实现对移动机器人运动轨迹的修正。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中所述将所述自适应抗扰终端滑模面求导设计等效控制律具体为对所述自适应抗扰终端滑模面Θ求导并将其导函数赋值为0时获得所述等效控制律。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述等效控制律Con为：其中，ρ＝V
l
/L，V
l
是移动机器人的轮系速度值，L为前轮中心和后轮中心轴向距离，θ
r
为航向角的参考值，表示对θ
r
进行一次求导操作，表示对θ
e
进行二次求导操作；所述趋近律Ω为：其中，q1，q2满足以下条件：q1＝m0+m1tanh(Θ
r
)
‑
m2tanh(λΘ2)其中，各参数满足r＞0，λ＞0，0＜m2＜m0＜1，m1＞1，m0+m1‑
m2＞1。
h1，h2，h3满足h2，h3＞0，q为预设滑模面幂次参数，r为预设参数。4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述前轮转角δ
f
和后轮转角δ
r
满足如下关系式：关系式：其中，Con为所述等效控制律，Ω为所述趋近律。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S6中所述路径规划算法为向量直方图算法，所述向量直方图算法函数为：m
i，j
＝C
i，j2
(a
‑
bd
i，j
)))k
f
＝k
n
+s
max
其中，β
′
i，j
为世界坐标下特定障碍物到移动机器人的夹角，x
yj
为障碍物单元格y坐标，x
y0
为移动机器人当前y坐标，x
xj
为障碍物单元格x坐标，x
x0
为移动机器人当前x坐标，m
i，j
为单元格(i，j)处的障碍矢量大小，C
i，j
为获得单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢远龙，严一鸣，王书亭，吴昊，蒋立泉，刘宇，段佳旺，江可玥，王宇翔，罗庆良，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：