基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法及系统，包括：获取跟踪轨迹，根据跟踪轨迹获取理想位姿和理想速度；根据当前实际位姿与理想位姿得出位姿偏差，将位姿偏差和理想速度作为运动学控制器的输入，获得控制速度；将控制速度作为动力学控制器的输入，获得原始车轮扭矩，原始车轮扭矩作为限幅控制模块的输入，获得约束的车轮扭矩，限幅控制模块使约束的车轮扭矩处于扭矩执行器限值范围内；将约束的车轮扭矩作为动力学模型的输入，获得速度将其作为运动学模型的输入，获得下一时刻实际位姿。动力学控制器基于扭矩限幅和抗饱和补偿，使执行器饱和情形下也可有效地跟踪运动学控制器输出的控制速度。跟踪运动学控制器输出的控制速度。跟踪运动学控制器输出的控制速度。

【技术实现步骤摘要】
基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法及系统


[0001]本专利技术涉及AGV轨迹跟踪运动控制
，尤其是一种基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法及系统。

技术介绍

[0002]自动导引车(Automated Guided Vehicle,AGV)系统是内部物流的重要组成部分，几乎涵盖了所有生产领域，如供应链、烟草业、飞机制造、仓库和集装箱码头等。差速AGV作为AGV家族中的重要一员，被广泛应用于多种场合。差速AGV是一个典型的强耦合、非线性、非完整的动力学系统。因此，差速AGV的轨迹跟踪控制问题很难用传统线性系统理论中的方法解决，也使得其轨迹跟踪控制问题变得极具挑战性。轨迹跟踪问题中的参考轨迹是依赖于时间参数的函数，需要同时考虑AGV的纵向位移和侧向位移误差，通过对车辆纵向和侧向运动的综合控制，使AGV在给定的时间到达对应的参考轨迹点。
[0003]现有技术中，综合考虑了运动学特性和动力学特性，研究轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot，WMR)轨迹跟踪控制方法，提高了控制系统的性能和车体稳定性。由于受测量不精确、参数时变、输入饱和扰动等因素的影响，很难获得WMR系统的精确数学模型。针对此，自抗扰的轨迹跟踪控制方案应运而生，例如通过扩张观测器实现扰动量的准确估计。
[0004]然而，目前所提出的控制方法主要集中于研究控制系统的稳定及跟踪精度问题，大多数没有考虑执行机构的饱和约束问题。由于实际系统受执行器饱和因素影响，在设计控制器时，如果仅仅考虑跟踪性能指标，忽略控制输入饱和问题，则在实际应用中难以保证闭环系统的稳定性。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法及系统，目的是针对性处理执行器饱和问题，实现机器人在执行器饱和情形下也能够有效地跟踪运动学控制器输出的控制速度，保证闭环系统的稳定性。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本申请提供一种基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法，包括：
[0008]获取跟踪轨迹，根据跟踪轨迹获取理想位姿和理想速度；
[0009]根据AGV当前实际位姿与所述理想位姿得出位姿偏差，将所述位姿偏差和所述理想速度作为运动学控制器的输入，获得控制速度；
[0010]将所述控制速度作为动力学控制器的输入，获得原始车轮扭矩，所述原始车轮扭矩作为限幅控制模块的输入，获得约束的车轮扭矩，限幅控制模块使约束的车轮扭矩处于扭矩执行器限值范围内；
[0011]将所述约束的车轮扭矩作为动力学模型的输入，获得AGV速度；
[0012]将所述AGV速度作为运动学模型的输入，获得下一时刻实际位姿；
[0013]其中：
[0014]所述运动学模型表征AGV速度和位姿之间的关系，考虑了滑移扰动的影响；
[0015]所述运动学控制器基于运动学模型建立，以位姿作为控制参数，以控制速度作为控制量；
[0016]所述动力学模型表征车轮扭矩与AGV速度之间的关系，将所有扰动进行集中获得总集扰动项；
[0017]所述动力学控制器基于动力学模型而建立，以控制速度作为控制参数，以车轮扭矩作为控制量，并通过非线性扩张观测器对所述总集扰动项进行估计；
[0018]所述动力学控制器的输入还包括由抗饱和补偿器输出的补偿量，其用于补偿动力学控制器在跟踪所述控制速度时的偏差，所述抗饱和补偿器以所述原始车轮扭矩和约束的车轮扭矩之差作为输入。
[0019]进一步技术方案为：
[0020]所述动力学模型基于运动学模型和拉格朗日力学分析而建立，表达式为：
[0021]式中，η＝[v,w]T
，车体中心速度车体角速度车体角速度分别为左右轮角速度，r为驱动轮半径，即中心加速度和角加速度的向量；
[0022]τ＝[τ
l
,τ
r
]T
，τ
l
、τ
r
分别为左、右轮扭矩；
[0023]总集扰动其中，有界可逆矩阵和矩阵为系统标称参数矩阵，和表示负载变化导致系统参数的不确定性；ξ为初始扰动项。
[0024]所述动力学控制器结合限幅控制和抗饱和补偿采用滑膜控制法设计，并采用指数超螺旋滑动模态的趋近律满足滑动模态条件，其控制方程为：
[0025][0026]式中，控制速度η
c
＝[v
c
,w
c
]T
，下标c代表控制；为通过非线性扩张观测器对总集扰动d估计得到的估计值；C＝diag(c
v
,c
w
)为系数，c
v
,c
w
分别为对应车体中心速度和角速度的系数，均大于0；γ＝[γ
v
,γ
w
]T
为补偿量，γ
v
,γ
w
分别为对应车体中心速度和角速度的补偿量，且Δτ＝τ
u
‑
τ
v
，τ
v
,τ
u
分别为原始车轮扭矩、约束的车轮扭矩；速度跟踪误差向量
[0027]λ,D,K1均为有关分数阶积分滑模面s＝e
v
+λD
α
‑1|e
v
|
ε sign(e
v
)的系数，sign(
·
)为符号函数，其中δ0为小于1的正数，a为正数，p为大于1的正整数。
[0028]约束的车轮扭矩τ
u
基于限幅控制模块获得，所述限幅控制模块基于高斯误差函数设计：
[0029][0030]其中，τ
max
与τ
min
为车轮扭矩执行器的上、下限；
[0031]高斯误差函数
[0032]所述运动学控制器采用反步法设计，表达式为：
[0033][0034]其中，e
x
,e
y
,e
θ
分别为载体坐标系下根据实际位姿[x,y,θ]T
与理想位姿[x
r
,y
r
,θ
r
]T
得到的位姿偏差e
p
中元素：
[0035][0036]其中，x,y分别为载体坐标系下车体的横、纵坐标，θ为载体坐标系与导航坐标系之间夹角；下标r代表理想情况；k1、k2、k3为运动学控制器参数，均为正数。
[0037]采用非线性扩张观测器对总集扰动d进行估计，包括：
[0038]引入扩张状态向量[x
12
,x
22
]T
＝[d1,d2]T
，定义x
11
＝v，x
21
＝w，对动力学模型的表达式进行扩张，构造非线性扩张观测器：
[0039]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法，其特征在于，包括：获取跟踪轨迹，根据跟踪轨迹获取理想位姿和理想速度；根据AGV当前实际位姿与所述理想位姿得出位姿偏差，将所述位姿偏差和所述理想速度作为运动学控制器的输入，获得控制速度；将所述控制速度作为动力学控制器的输入，获得原始车轮扭矩，所述原始车轮扭矩作为限幅控制模块的输入，获得约束的车轮扭矩，限幅控制模块使约束的车轮扭矩处于扭矩执行器限值范围内；将所述约束的车轮扭矩作为动力学模型的输入，获得AGV速度；将所述AGV速度作为运动学模型的输入，获得下一时刻实际位姿；其中：所述运动学模型表征AGV速度和位姿之间的关系，考虑了滑移扰动的影响；所述运动学控制器基于运动学模型建立，以位姿作为控制参数，以控制速度作为控制量；所述动力学模型表征车轮扭矩与AGV速度之间的关系，将所有扰动进行集中获得总集扰动项；所述动力学控制器基于动力学模型而建立，以控制速度作为控制参数，以车轮扭矩作为控制量，并通过非线性扩张观测器对所述总集扰动项进行估计；所述动力学控制器的输入还包括由抗饱和补偿器输出的补偿量，其用于补偿动力学控制器在跟踪所述控制速度时的偏差，所述抗饱和补偿器以所述原始车轮扭矩和约束的车轮扭矩之差作为输入。2.根据权利要求1所述的基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法，其特征在于，所述动力学模型基于运动学模型和拉格朗日力学分析而建立，表达式为：式中，η＝[v,w]
T
，车体中心速度车体角速度分别为左右轮角速度，r为驱动轮半径，即中心加速度和角加速度的向量；τ＝[τ
l
,τ
r
]
T
，τ
l
、τ
r
分别为左、右轮扭矩；总集扰动其中，有界可逆矩阵和矩阵为系统标称参数矩阵，和表示负载变化导致系统参数的不确定性；ξ为初始扰动项。3.根据权利要求2所述的基于执行器抗饱和控制的差速AGV轨迹跟踪方法，其特征在于，所述动力学控制器结合限幅控制和抗饱和补偿采用滑膜控制法设计，并采用指数超螺旋滑动模态的趋近律满足滑动模态条件，其控制方程为：式中，控制速度η
c
＝[v
c
,w
c
]
T
，下标c代表控制；为通过非线性扩张观测器对总集扰动d
估计得到的估计值；C＝diag(c
v
,c
w
)为系数，c
v
,c
w
分别为对应车体中心速度和角速度的系数，均大于0；γ＝[γ
v
,γ
w
]
T
为补偿量，γ
v
,γ
w
分别为对应车体中心速度和角速度的补偿量，且Δτ＝τ
u
‑
τ
v
，τ
v
,...

【专利技术属性】
技术研发人员：奚青，陈曲燕，梁彪，周德强，
申请(专利权)人：无锡弘宜智能科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：