基于双闭环控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于双闭环控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法。通过构建外环运动学控制器和内环终端滑模控制器的双闭环控制策略，外环获取移动机器人的位姿跟踪误差，输入外环运动学控制器，得到辅助速度，实现位姿跟踪误差有限时间收敛，提高系统状态的响应速度；内环利用线性扩张状态观测器实时估计系统状态及集总扰动，以速度跟踪误差作为内环滑模控制器的输入，通过内环滑模控制器得到控制电压，驱动移动机器人，使其实际速度渐近收敛到辅助速度。通过执行上述双闭环控制策略，实现移动机器人在有限时间轨迹跟踪控制，提高轮子未知打滑下移动机器人的轨迹跟踪控制精度。打滑下移动机器人的轨迹跟踪控制精度。打滑下移动机器人的轨迹跟踪控制精度。

【技术实现步骤摘要】
基于双闭环控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法


[0001]本专利技术涉及机器人轨迹控制
，特别是涉及一种基于双闭环控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法。

技术介绍

[0002]移动机器人的应用越来越普遍，对移动机器人运动控制的研究也日益深入。移动机器人在实际运行中，轮胎变形、路面潮湿或结冰、快速转弯等因素导致移动机器人容易出现轮子打滑情形，会破坏移动机器人控制系统的非完整性约束，降低移动机器人的控制精度。
[0003]当前研究或忽略驱动电机的影响，或未考虑纵滑(纵向打滑)和侧滑(侧向打滑)扰动及模型参数不确定对移动机器人运动控制的影响，且所设计控制器仅实现系统闭环状态的渐近稳定，在理论上将导致系统闭环状态的无限时间收敛，未实现时间最优控制。

技术实现思路

[0004]基于此，针对移动机器人在轮子打滑情形下控制效果差的问题，提供一种基于双闭环控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法。该方法包括：
[0005]所述方法包括：
[0006]获取移动机器人的参考位姿和实际位姿的位姿跟踪误差；
[0007]将所述位姿跟踪误差输入外环运动学控制器，根据所述外环运动学控制器的输出得到辅助速度；
[0008]获取所述辅助速度和实际速度的速度跟踪误差；
[0009]将所述速度跟踪误差作为内环终端滑模控制器的输入，通过所述内环滑模控制器得到移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，进而驱动移动机器人，使其实际速度渐近收敛到所述辅助速度。
[0010]在其中一个实施例中，所述获取移动机器人的参考位姿和实际位姿的位姿跟踪误差，包括：
[0011]确定所述移动机器人的运动学方程；
[0012]根据所述移动机器人的参考位姿、实际位姿和运动学方程，得到所述移动机器人的位姿跟踪误差。
[0013]在其中一个实施例中，所述位姿跟踪误差e
q
通过如下算法计算得到：
[0014][0015]其中，e
q
＝[e
x e
y e
θ
]T
为位姿跟踪误差，e
x
、e
y
、e
θ
分别为移动机器人在x、y、θ方向的跟踪误差；(x,y)表示移动机器人几何中心在全局坐标系中的位置，θ为移动机器人的航向角；下标r表示移动机器人的参考状态。
[0016]在其中一个实施例中，所述外环运动学控制器为有限时间运动学控制器；所述有限时间运动学控制器通过如下公式实现：
[0017][0018]其中，z
c
＝[v
c ω
c
]T
为辅助速度，v
c
为辅助线速度，ω
c
为辅助角速度；k
x
、k
y
、k
θ
为控制器增益，且为正常数；β
x
、β
y
、β
θ
为控制器增益，且0＜β
x
,β
y
,β
θ
＜1；e
x
、e
y
、e
θ
分别为移动机器人在x、y、θ方向的跟踪误差；v
r
为移动机器人前进的参考线速度，ω
r
为移动机器人本体绕几何中心的参考角速度。
[0019]在其中一个实施例中，所述内环滑模控制器包括终端滑模面、控制器模块、线性扩张状态观测器和动力学模型；其中，
[0020]所述动力学模型，用于根据所述移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，得到所述移动机器人的实际速度；
[0021]所述线性扩张状态观测器，用于根据所述实际速度和所述移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，得到所述移动机器人的实际速度估计值和扰动估计值；
[0022]所述终端滑模面，用于根据所述实际速度和所述辅助速度的速度跟踪误差作为输入，设计滑动面，使速度跟踪误差指数收敛到零；
[0023]所述控制器模块，用于根据所述终端滑模面和所述集总扰动估计值，得到移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，作为所述移动机器人动力学模型的输入，控制所述移动机器人实际速度渐近收敛到所述辅助速度。
[0024]在其中一个实施例中，所述动力学模型根据所述移动机器人的运动学模型和驱动电机模型得到；其中，
[0025]所述运动学模型通过如下公式实现：
[0026][0027]其中，q＝[x y θ]T
为移动机器人的位姿；z＝[v ω]T
为移动机器人速度向量，v和ω分别为移动机器人的线速度和角速度；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；S(q)为变换矩阵，有
[0028][0029]所述驱动电机模型通过如下公式实现：
[0030][0031]其中，L
a
、R
a
、k
t
、k
b
分别为驱动电机的电枢电感、电枢电阻、转矩常数和反电动势常
数，N为机械齿轮减速比，τ＝[τ
r τ
l
]T
表示移动机器人的右、左驱动轮输入力矩，u
a
＝[u
ar u
al
]T
,I
a
＝[I
ar I
al
]T
分别为右、左驱动轮驱动电机的控制电压和电枢电流，ω
w
＝[ω
R ω
L
]T
为右、左驱动轮驱动电机角速度；
[0032]以及，在移动机器人以直流电机驱动电压为控制输入的情形下所述动力学模型表述为：
[0033][0034]其中K1＝Nk
t
/R
a
，K2＝N2k
t
k
b
/R
a
，r为移动机器人驱动轮半径，2b为两驱动轮之间的距离，m、J分别为移动机器人的质量和转动惯量，R
a
、k
t
、k
b
分别为驱动电机的电枢电阻、转矩常数和反电动势常数，N为机械齿轮减速比，u
a
＝[u
ar u
al
]T
为右、左驱动轮驱动电机的控制电压；d为包含系统未知纵滑和侧滑扰动、模型参数不确定及未知输入扰动的集总扰动。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双闭环控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，所述方法包括：获取移动机器人的参考位姿和实际位姿的位姿跟踪误差；将所述位姿跟踪误差输入外环运动学控制器，根据所述外环运动学控制器的输出得到辅助速度；获取所述辅助速度和实际速度的速度跟踪误差；将所述速度跟踪误差作为内环滑模控制器的输入，通过所述内环滑模控制器得到移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，进而驱动移动机器人，使其实际速度渐近收敛到所述辅助速度。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取移动机器人的参考位姿和实际位姿的位姿跟踪误差，包括：确定所述移动机器人的运动学方程；根据所述移动机器人的参考位姿、实际位姿和运动学方程，得到所述移动机器人的位姿跟踪误差。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述位姿跟踪误差e
q
通过如下算法计算得到：其中，e
q
＝[e
x e
y e
θ
]
T
为位姿跟踪误差，e
x
、e
y
、e
θ
分别为移动机器人在x、y、θ方向的跟踪误差；(x,y)表示移动机器人几何中心在全局坐标系中的位置，θ为移动机器人的航向角；下标r表示移动机器人的参考状态。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述外环运动学控制器为有限时间运动学控制器；所述有限时间运动学控制器通过如下公式实现：其中，z
c
＝[v
c
ω
c
]
T
为辅助速度向量，v
c
为辅助线速度，ω
c
为辅助角速度；k
x
、k
y
、k
θ
为控制器增益，且为正常数；β
x
、β
y
、β
θ
为控制器增益，且0＜β
x
,β
y
,β
θ
＜1；e
x
、e
y
、e
θ
分别为移动机器人在x、y、θ方向的跟踪误差；v
r
为移动机器人前进的参考线速度，ω
r
为移动机器人本体绕几何中心的参考角速度。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述内环滑模控制器包括终端滑模面、控制器模块、线性扩张状态观测器和动力学模型；其中，所述动力学模型，用于根据所述移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，得到所述移动机器人的实际速度；所述线性扩张状态观测器，用于根据所述实际速度和所述移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，得到所述移动机器人的实际速度估计值和集总扰动估计值；所述终端滑模面，用于根据所述实际速度和所述辅助速度的速度跟踪误差作为输入，设计滑动面，使速度跟踪误差指数收敛到零；
所述控制器模块，用于根据所述终端滑模面和所述集总扰动估计值，得到移动机器人驱动轮驱动电机的控制电压，作为所述移动机器人动力学模型的输入，控制所述移动机器人实际速度渐近收敛到所述辅助速度。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述动力学模型根据所述移动机器人的运动学模型和驱动电机模型得到；其中，所述移动机器人的运动学模型通过如下公式实现：其中，q＝[x y θ]
T
为移动机器人的位姿；z＝[v ω]
T
为移动机器人速度向量，v和ω分别为移动机器人的线速度和角速度；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；S(q)为变换矩阵，具有如下形式：所述驱动电机模型通过如下公式实现：其中，L
a
、R
a
、k
t
、k
b
分别为驱动电机的电枢电感、电枢电阻、转矩常数和反电动势常数，N为机械齿轮减速比，τ＝[τ

【专利技术属性】
技术研发人员：任斌，邓亮，郑卓斌，王立磊，
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：