一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法，首先建立AGV二自由度平面运动模型，该模型包括横向运动和偏航角运动，对轮胎进行线性化处理，得到AGV动力学非线性模型；然后简化AGV动力学非线性模型，通过非线性函数将复杂的路径跟踪控制简化为偏航角跟踪控制；设计线性自抗扰控制器(LADRC)，最后基于天牛须搜索算法(BAS)对线性自抗扰控制器进行参数整定。本发明专利技术方法使跟踪效果显著提高，速度的鲁棒性较强，可以有效地抑制扰动对AGV的影响。AGV的影响。AGV的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法


[0001]本专利技术涉及AGV轨迹跟踪
，具体涉及一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法。

技术介绍

[0002]随着科技的进步，自动导引车(Automated Guided Vehicles,AGV)在民用和军事领域都发挥着日益重要的作用。它可以提高生产效率，减少成本和人为失误。更重要的是它可以代替人去执行一些危险任务，在很大程度上保障了人们的安全。如今多数自动导引车的控制方法依然是比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制；然而，在实际应用中(例如仓库中的物料处理)，AGV的特点是运行环境的不确定、复杂性以及挑战性，再加上AGV本身的高度动态非线性和耦合性，以及容易受到外界的干扰，比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制不能有效地解决上述问题。随着人们对自动导引车的要求不断提高，基于比例
‑
积分
‑
微分(PID)控制的自动导引车逐渐不能满足人们的需求。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题，本专利技术提供一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。
[0004]为了实现专利技术目的，采用以下技术方案：
[0005]一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法，包括以下步骤：
[0006]S1、建立AGV二自由度平面运动模型，该模型包括横向运动和偏航运动，对AGV轮胎进行线性化处理，得到AGV动力学非线性模型；
[0007]S2、简化AGV动力学非线性模型，通过非线性函数将复杂的路径跟踪控制简化为偏航角跟踪控制；
[0008]S3、设计线性自抗扰控制器；
[0009]S4、基于天牛须搜索算法对线性自抗扰控制器进行参数整定。
[0010]进一步地，S1的具体过程为：
[0011]建立平面坐标系oxy，与AGV小车固连，车体的质心为原点o，车体前进方向为x轴正方向，y轴垂直于x轴；建立惯性坐标系，与大地固连；
[0012]AGV二自由度平面运动模型表示如下：
[0013][0014]其中，和分别为AGV在惯性坐标系下的纵向和横向的速度，和分别为AGV在惯性坐标系下偏航角和偏航角速度，用ω
r
表示v
x
和v
y
为在AGV平面坐标系oxy下的纵向和横向速度，F
yf
和F
yr
为AGV的前后单个轮胎所受的侧向力，m为AGV的质量，I
z
为AGV绕质心的转动惯量，L
f
和L
r
为AGV的前后轴与质心的距离，为在AGV平面坐标系oxy下的横向加速度，为AGV在惯性坐标系下的偏航角加速度；
[0015]基于Pacejka轮胎模型，当侧向加速度小于0.4g，g＝9.8m/s，且轮胎侧偏角小于5
°
时，对AGV的前后轮胎侧向力线性化处理：
[0016][0017]其中，C
f
和C
r
为AGV前后轮胎的侧偏刚度，α
f
和α
r
为前后轮胎的侧偏角，β为AGV质心处的侧偏角，δ
f
为AGV前轮的偏转角；
[0018]将式(2)代入式(1)中，得到AGV动力学非线性模型：
[0019][0020]进一步地，S2的具体过程为：
[0021]选取式(3)中Y,作为状态量，AGV动力学非线性模型简化为：
[0022][0023]其中，b0为控制量的补偿因子，为控制量的补偿因子，为未建模项，ω(t)为扰动项；
[0024]可以看出系统(4)通过一个控制变量δ
f
同时控制AGV的横向位移Y和偏航角属于欠驱动系统；利用非线性函数将复杂的路径跟踪控制简化为偏航角跟踪控制，非线性函数如下：
[0025][0026]其中，a0,a1为设计参数，满足a0∈(0,2)，a1＞0；a0越大，表示AGV横向误差收敛到0的速度越快，但过大容易出现超调，a1用于调整转换比；Y
e
为横向误差；为横向误差；为偏航角误差，为参考的偏航角；
[0027]令得到期望的偏航角其形式如下：
[0028][0029]其中，Y
e
的表达形式如下：
[0030][0031]只要趋近于就能使横向误差Y
e
趋近于0。
[0032]进一步地，S3包括以下子步骤：
[0033]S31、对式(4)进行变换，令x2＝ω
r
，得到如下形式的串联型系统：
[0034][0035]其中，F为系统干扰项和未建模项的总和，
[0036]假设F可微分，即令x3＝F，则式(8)转变为：
[0037][0038]通过式(9)设计线性自抗扰控制器的线性扩张状态观测器，估计系统状态变量以
及总体扰动x3：
[0039][0040]其中，e为偏航角的估计值与实际值的误差，h为系统采样时间，β
01
、β
02
、β
03
为观测器增益，β
01
＝3*λ、β
02
＝3*λ2、β
03
＝λ3，λ为带宽；y为AGV实际的偏航角，z1、z2分别为AGV的偏航角及其微分信号的估计值，z3为总体扰动x3的估计值，k表示迭代次数；
[0041]S32、以期望的偏航角为参考输入，设计线性跟踪微分器安排过渡过程：
[0042][0043]其中，v1和v2分别为期望的偏航角的跟踪信号及其微分信号，r为速度因子，其大小反映v1跟踪的快慢；
[0044]S33、设计线性状态误差反馈控制率来消除跟踪误差，
[0045][0046]其中，e1为线性跟踪微分器与线性扩张状态观测器之间的偏航角偏差，e2为线性跟踪微分器与线性扩张状态观测器之间的偏航角速度偏差；k1、k2为控制器增益，u0为误差控制量；
[0047]通过误差控制量u0和扰动估计值z3进行扰动补偿，决定最终的控制量，即前轮转角δ
f
：
[0048][0049]将式(12)和(13)代入式(9)中得：
[0050][0051]通过调节线性扩张状态观测器的参数能使估计值z3更加接近实际扰动f，即使f
‑
z3趋近于零，从而将系统转换为PD的线性组合控制。
[0052]进一步地，S4包括以下子步骤：
[0053]S41、采用经验法设定h,r,b0,λ，将线性状态误差反馈控制率中的k1、k2作为优化对象；
[0054]S42、设置被优化参数k1、k2的上下限和最小适应度函数值、天牛的种群数量N、解的空间维度dim以及最大迭代次数K
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、建立AGV二自由度平面运动模型，该模型包括横向运动和偏航运动，对AGV轮胎进行线性化处理，得到AGV动力学非线性模型；S2、简化AGV动力学非线性模型，通过非线性函数将复杂的路径跟踪控制简化为偏航角跟踪控制；S3、设计线性自抗扰控制器；S4、基于天牛须搜索算法对线性自抗扰控制器进行参数整定。2.根据权利要求1所述的一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述S1的具体过程为：建立平面坐标系oxy，与AGV小车固连，车体的质心为原点o，车体前进方向为x轴正方向，y轴垂直于x轴；建立惯性坐标系，与大地固连；AGV二自由度平面运动模型表示如下：其中，和分别为AGV在惯性坐标系下的纵向和横向的速度，和分别为AGV在惯性坐标系下偏航角和偏航角速度，用ω
r
表示v
x
和v
y
为在AGV平面坐标系oxy下的纵向和横向速度，F
yf
和F
yr
为AGV的前后单个轮胎所受的侧向力，m为AGV的质量，I
z
为AGV绕质心的转动惯量，L
f
和L
r
为AGV的前后轴与质心的距离，为在AGV平面坐标系oxy下的横向加速度，为AGV在惯性坐标系下的偏航角加速度；基于Pacejka轮胎模型，当侧向加速度小于0.4g，g＝9.8m/s，且轮胎侧偏角小于5
°
时，对AGV的前后轮胎侧向力线性化处理：其中，C
f
和C
r
为AGV前后轮胎的侧偏刚度，α
f
和α
r
为前后轮胎的侧偏角，β为AGV质心处的侧偏角，δ
f
为AGV前轮的偏转角；将式(2)代入式(1)中，得到AGV动力学非线性模型：
3.根据权利要求2所述的一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述S2的具体过程为：选取式(3)中Y,作为状态量，AGV动力学非线性模型简化为：其中，b0为控制量的补偿因子，为控制量的补偿因子，为未建模项，ω(t)为扰动项；系统(4)通过一个控制变量δ
f
同时控制AGV的横向位移Y和偏航角属于欠驱动系统；利用非线性函数将复杂的路径跟踪控制简化为偏航角跟踪控制，非线性函数如下：其中，a0,a1为设计参数，满足a0∈(0,2)，a1＞0；a0越大，表示AGV横向误差收敛到0的速度越快，但过大容易出现超调，a1用于调整转换比；Y
e
为横向误差；为偏航角误差，为参考的偏航角；令得到期望的偏航角其形式如下：其中，Y
e
的表达形式如下：只要趋近于就能使横向误差Y
e
趋近于0。4.根据权利要求3所述的一种基于天牛须搜索算法的AGV线性自抗扰控制方法，其特征在于，所述S3包括以下子步骤：S31、对式(4)进行变换，令x2＝ω
r
，得到如下形式的串联型系统：
其中，F为系统干扰项和未建模项的总和，假设F可微分，即令x3＝F，则式(8)转变为：通过式(9)设计线性自抗扰控制器的线性扩张状态观测器，估计系统状态变量以及总体扰动x3：其中，e为偏航角的估计值与实际值的误差，h为系统采样时间；β
01
、β
02
、β
03
为观测器增益，β
01
＝3*λ、β
02
＝3*λ2、β
03
＝λ3，λ为带宽；y为AGV实际的偏航...

【专利技术属性】
技术研发人员：张成鹏，张强，姜向远，崔鹏，彭凯，王宏霞，吕世超，马泽国，胡鹏，张焕水，
申请(专利权)人：青岛博晟优控智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：