一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法及系统，属于移动机器人控制技术领域。包括根据非完整轮式机器人的运动特性，获取非完整轮式机器人的运动学模型；根据运动学模型、参考轨迹和非完整轮式机器人的位置，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差方程；根据轨迹跟踪误差方程，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差；设计不连续轨迹跟踪控制器，根据轨迹跟踪误差，不连续轨迹跟踪控制器对非完整轮式移动机器人执行连续控制或不连续控制，以实现非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪。能够保证跟踪控制效果的前提下，有效解决移动机器人跟踪控制中带宽资源占用问题，提高信息传输效率，降低控制成本。降低控制成本。降低控制成本。

【技术实现步骤摘要】
一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及移动机器人控制
，特别是涉及一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提到了与本专利技术相关的
技术介绍
，并不必然构成现有技术。
[0003]移动机器人是一类能够在室内、野外等环境中连续实时自主运动的的高度智能化的系统，集信息感知、动态决策与控制规划等功能为一体。常见的移动机器人有轮式、足式、履带式等。与其他移动机器人相比，轮式移动机器人兼具结构简单、运动灵活度大、操作性能强等优势，具有广泛的应用空间。如装配线、物流仓中的小型自动导引车、无人值守变电站智能巡检采用的巡检机器人、日立公司开发的家用清洁机器人、Dyson公司研发的DC06型自主吸尘机器人、亚琛工业大学研制的智能轮椅、海尔
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哈尔滨工业大学机器人技术公司研制的智能导游机器人等，均为轮式移动机器人。
[0004]此外，现有的行星探测机器人也通常采用轮式移动结构，如我国自主研制的月球车等。在轮式移动机器人运动控制中，一般假设车轮只发生纯滚动，无侧向或纵向滑动，导致系统受到非完整约束。对于一般的完整约束系统，可以利用完整约束条件求解若干状态变量，将原系统化为低维无约束系统；而非完整约束系统具有不可积性，不能通过积分转化为几何约束。同时，非完整系统也不满足Brockett光滑状态反馈镇定的必要条件，不存在光滑(甚至连续)静态或者动态反馈镇定控制，因此为移动机器人的运动控制带来了更大的挑战。由此可见，非完整移动机器人的运动控制研究具有重要的理论意义和实用价值。
[0005]根据不同的控制目标，非完整移动机器人的运动控制问题可以大致分为点镇定、轨迹跟踪、路径跟踪。其中，点镇定是使从给定的初始状态出发的非完整系统到达并稳定在任意给定的目标状态，亦称为姿态镇定或姿态调节等；轨迹跟踪控制是实现从给定的初始状态出发的机器人，实时跟踪按时间变化的参考轨迹；路径跟踪控制是保证从任意给定的初始状态出发机器人，能够到达并跟随指定的路径，但对于何时到达何点不作要求。本专利技术主要针对非完整移动机器人的轨迹跟踪控制问题，所考虑的参考轨迹不含静止位形，即非完整系统不含静止运动，避免了不满足Brockett必要条件的情况。
[0006]注意到目前关于移动机器人的轨迹跟踪控制，大多基于滑模控制、模糊控制、自适应控制、Backstepping等方法设计连续状态反馈控制器，需要连续获取机器人的实时位置信息，估算跟踪误差，输出反馈控制信号，调整机器人运动状态，鲁棒性较差。尤其在对多个移动机器人的协同控制中，这种单纯依靠连续反馈控制的跟踪策略，会占用大量通讯和控制资源，效率较低。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法、系统、电子设备及计算机可读存储介质，将不连续控制技术应用于移动机器人的
轨迹跟踪控制，有效提高控制器设计的灵活性与适应性，保证轨迹跟踪控制效果的前提下，可以进一步解决移动机器人跟踪控制中带宽资源占用问题，提高信息传输效率，降低控制成本。
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法；
[0009]一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法，包括：
[0010]根据非完整轮式机器人的运动特性，获取非完整轮式机器人的运动学模型；
[0011]根据运动学模型、参考轨迹和非完整轮式机器人的位置，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差方程；根据轨迹跟踪误差方程，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差；
[0012]设计不连续轨迹跟踪控制器，根据轨迹跟踪误差，不连续轨迹跟踪控制器对非完整轮式移动机器人执行连续控制或不连续控制，以实现非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪。
[0013]进一步的，所述根据非完整轮式机器人的运动特性，获取非完整轮式机器人的运动学模型包括：
[0014]根据非完整轮式机器人的运动环境，定义惯性坐标系，确定非完整轮式机器人的位置信息；
[0015]根据牛顿第二定律和非完整轮式机器人的位置信息，获取非完整轮式机器人的运动学模型。
[0016]进一步的，所述非完整轮式机器人的运动学模型表示为：
[0017][0018]其中，v为非完整轮式机器人的线速度，ω为非完整轮式机器人的角速度，θ为非完整轮式机器人的方位角。
[0019]进一步的，所述根据运动学模型、参考轨迹和非完整轮式机器人轨迹，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差方程包括：
[0020]根据参考点在惯性坐标系下的位置信息以及控制点距非完整轮式机器人质心的距离，定义实际位姿和虚拟位姿之间的误差矢量，根据实际位姿和虚拟位姿之间的误差矢量，获取参考点在本体坐标系下的速度矢量；
[0021]根据参考点在本体坐标系下的速度矢量、参考点在惯性坐标系下的速度向量和非完整轮式机器人轨迹在惯性坐标系下的速度向量，获取轨迹跟踪误差方程。
[0022]进一步的，所述轨迹跟踪误差方程表示为：
[0023][0024]其中，v为非完整轮式机器人的线速度，ω为非完整轮式机器人的角速度，θ为非完整轮式机器人的方位角，为实际位姿与虚拟位姿之间的误差矢量在非完整轮式移动机器人本体坐标系下的x坐标，为实际位姿与虚拟位姿之间的误差矢量在非完整轮式移动机
器人本体坐标系下的y坐标，为参考点P在惯性坐标系下x方向上的移动速度，为参考点P在惯性坐标系下y方向上的移动速度，d为控制点N相对于非完整轮式移动机器人质心点M的距离。
[0025]进一步的，所述设计不连续轨迹跟踪控制器，根据轨迹跟踪误差，不连续轨迹跟踪控制器对非完整轮式移动机器人执行连续控制或不连续控制包括：
[0026]设计不连续轨迹跟踪控制器，将不连续轨迹跟踪控制器的作用时间等周期划分为多个控制区间；
[0027]在每个控制区间内设定闭环反馈控制子区间和开环控制子区间；
[0028]若轨迹跟踪误差属于预设的阈值范围，则根据非完整轮式移动机器人的估计跟踪误差，在闭环反馈控制子区间进行处理，以实现非完整轮式移动机器人的连续控制；
[0029]若轨迹跟踪误差不属于预设的阈值范围，则根据非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪误差，在开环控制子区间和闭环反馈子区间进行交替处理，以实现非完整轮式移动机器人的不连续控制。
[0030]进一步的，还包括：
[0031]根据非完整轮式移动机器人在连续控制和不连续控制的动力学特性，构造Lyapunov函数，估计轨迹跟踪误差的能量变化。
[0032]第二方面，本专利技术提供了一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制系统；
[0033]一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制系统，包括：
[0034]运动学模型构建模块，被配置为：根据非完整轮式机器人的运动特性，获取非完整轮式机器人的运动学模型；
[0035]轨迹跟踪误差方程构建模块，被配置为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法，其特征在于，包括：根据非完整轮式机器人的运动特性，获取非完整轮式机器人的运动学模型；根据运动学模型、参考轨迹和非完整轮式机器人的位置，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差方程；根据轨迹跟踪误差方程，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差；设计不连续轨迹跟踪控制器，根据轨迹跟踪误差，不连续轨迹跟踪控制器对非完整轮式移动机器人执行连续控制或不连续控制，以实现非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪。2.如权利要求1所述的非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法，其特征在于，所述根据非完整轮式机器人的运动特性，获取非完整轮式机器人的运动学模型包括：根据非完整轮式机器人的运动环境，定义惯性坐标系，确定非完整轮式机器人的位置信息；根据牛顿第二定律和非完整轮式机器人的位置信息，获取非完整轮式机器人的运动学模型。3.如权利要求1所述的非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法，其特征在于，所述非完整轮式机器人的运动学模型表示为：其中，v为非完整轮式机器人的线速度，ω为非完整轮式机器人的角速度，θ为非完整轮式机器人的方位角。4.如权利要求1所述的非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法，其特征在于，所述根据运动学模型、参考轨迹和非完整轮式机器人轨迹，获取非完整轮式机器人的轨迹跟踪误差方程包括：根据参考点在惯性坐标系下的位置信息以及控制点距非完整轮式机器人质心的距离，定义实际位姿和虚拟位姿之间的误差矢量，根据实际位姿和虚拟位姿之间的误差矢量，获取参考点在本体坐标系下的速度矢量；根据参考点在本体坐标系下的速度矢量、参考点在惯性坐标系下的速度向量和非完整轮式机器人轨迹在惯性坐标系下的速度向量，获取轨迹跟踪误差方程。5.如权利要求1所述的非完整轮式移动机器人不连续跟踪控制方法，其特征在于，所述轨迹跟踪误差方程表示为：其中，v为非完整轮式机器人的线速度，ω为非完整轮式机器人的角速度，θ为非完整轮式机器人的方位角，为实际位姿与虚拟位姿之间的误差矢量在非完整轮式移动机器人本体坐标系下的x坐标，为实际位姿与虚拟位姿之间的误差矢量在非完整轮式移动机器人本体坐标系下的y坐标，为参考点P在惯性坐标系下x方向上的移动速度...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓迪，贺馨仪，魏腾达，
申请(专利权)人：山东师范大学，
类型：发明
国别省市：