本发明专利技术公开了一种基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法及系统，本方案通过获取非完整轮式机器人的运动学模型；接着，根据移动机器人的实际位姿和期望位姿之间的误差，建立轨迹跟踪误差微分方程；最后通过设计两个一阶滤波器，作为控制器的两个反馈信号，且此反馈信号及其导数的大小受限于两个滤波器参数，由此来生成机器人速度控制器。本控制方案能够实现高度的精度和可靠性，使机器人能够准确地沿着指定路径移动，降低了误差和风险，能够有效克服现有技术所存在的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及移动机器人控制技术，具体涉及移动机器人的轨迹跟踪控制技术。
技术介绍
1、现有轮式移动机器人的轨迹跟踪控制方案主要涉及到路径规划、控制器、轨迹跟踪算法、运动学模型、实时传感器反馈这几方面的技术。
2、其中，路径规划是轨迹跟踪控制的第一步，它确定机器人需要遵循的理想轨迹。通常使用全局路径规划算法(如a*算法、dijkstra算法)生成全局路径，然后使用局部路径规划算法(如基于速度的spline插值)生成平滑的局部轨迹。
3、控制器作为核心部分，主要负责根据当前状态和目标轨迹生成适当的控制输入，以使机器人按照规划的轨迹移动。控制器可以基于不同的控制策略设计，如pid控制、模型预测控制(mpc)或适应性控制。
4、轨迹跟踪算法作为控制器的一部分，用于计算机器人当前位置和轨迹之间的误差。这些算法通常包括偏差计算、方向错误计算和速度误差计算。
5、运动学模型描述了机器人的动力学特性和约束。这些模型通常包括轮式机器人的运动学约束，如速度限制、转弯半径等。
6、实时传感器反馈主要由相应的传感器构建，如激光雷达、摄像头、编码器等，用于实时监测机器人的位置和周围环境，这些传感器的数据用于控制器的实时反馈，以校正机器人的轨迹跟踪。
7、现有轮式移动机器人的轨迹跟踪控制方案在具体实施实施，存在一定的问题：
8、首先现有轨迹跟踪控制方案在构成上相对复杂，需要高度专业知识的控制算法设计和参数调整，从而使得实际应用方案过于复杂且维护成本，降低实用性。
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p>9、再者，现有轨迹跟踪控制方案需要依赖传感器来感知周围环境，若在复杂环境中的传感器噪声、遮挡和不完全性可能导致跟踪误差。10、再者，现有轨迹跟踪控制方案在高速运动下，机器人轨迹跟踪变得更加困难，需要更高性能的控制算法和传感器来确保安全和精确性。
技术实现思路
1、针对现有移动机器人轨迹跟踪控制方案所存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法，本控制方法能够实现高度的精度和可靠性，使机器人能够准确地沿着指定路径移动，降低了误差和风险，能够有效克服现有技术所存在的问题；在此基础上，本专利技术还进一步提供基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制系统。
2、为了达到上述目的，本专利技术提供的基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法，包括：
3、步骤1)：区别机器人重心和形体中心关系，建立机器人运动学模型；
4、步骤2)：基于机器人的运动学模型，根据移动机器人的实际位姿和期望位姿之间的误差，建立机器人跟踪误差模型，计算机器人轨迹跟踪误差微分方程，并基于所得到的误差微分方程来生成速度控制器
5、步骤3)：在步骤(2)生成的速度控制器基础上添加两个一阶滤波器，作为速度的反馈控制信号，生成最终的机器人速度控制器。
6、在本专利技术的一些实施方式中，在步骤(1)中建立机器人运动学模型时，首选分别区分确定机器人的重心与形体中心，并据此进一步确定机器人重心和形体中心之间的相对关系，再基于机器人重心和形体中心之间的相对关系来构建机器人运动学模型。
7、在本专利技术的一些实施方式中，在步骤2)中建立机器人跟踪误差模型包括：
8、(2.1)构建全局坐标系；
9、(2.2)在全局坐标系中确定：领航机器人的位姿坐标rl＝(xl，yl，θl)t，虚拟机器人的位姿坐标rv＝(xv，yv，θv)t，跟随机器人rf位置的位姿坐标rf＝(xf，yf，θf)t，
10、(xl，yl，θl)t，xl，yl分别代表领航机器人在全局坐标系中的x轴、y轴的坐标，θl为机器人的偏航角；(xv，yv，θv)t，xv，yv分别代表虚拟机器人在全局坐标系中的x轴、y轴的坐标，θv为机器人的偏航角；(xf，yf，θf)t，xf，yf分别代表跟随机器人在全局坐标系中的x轴、y轴的坐标，θf为机器人的偏航角；
11、(2.3)根据步骤(2.2)确定的位姿坐标，确定虚拟机器人rv相对于领航机器人rl的实际位置模型：
12、
13、以及确定跟随机器人rf相对于领航机器人rl的实际位置模型：
14、
15、其中，ld为跟随机器人rf与领航机器人rl的期望相对距离；
16、为期望相对角度；
17、lc为在全局坐标系下跟随机器人rf与领航机器人rl的实际距离，为在全局坐标系下跟随机器人rf与领航机器人rl的角度，并有
18、(2.4)基于步骤(1)建立的机器人运动学模型，构建在跟随机器人坐标系下的动态误差模型：
19、
20、其中，(xv-xf，yv-yf，θv-θf)t为在世界坐标系oxy下跟随机器人rf与虚拟机器人rv的位姿误差；
21、(2.5)基于步骤(2.4)构建的动态误差模型，计算确定机器人轨迹跟踪误差微分方程：
22、
23、在本专利技术的一些实施方式中，在步骤(3)中引入一阶滤波器包含一阶差分方程，且具有一个极点。
24、在本专利技术的一些实施方式中，在步骤(3)中的两个一阶滤波器作为控制器的两个反馈信号时，相应的反馈信号及其导数的大小受限于两个滤波器参数。
25、在本专利技术的一些实施方式中，在步骤(3)中在引入滤波器之后，还包括模拟和调整以优化速度控制器性能的步骤。
26、为了达到上述目的，本专利技术提供的基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制系统，所述移动机器人轨迹跟踪控制系统为计算机程序产品，当在数据处理设备上执行时，适于执行上述移动机器人轨迹跟踪控制方法的步骤。
27、本专利技术提供的基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制方案相对于现有技术，具有如下优点：
28、(1)更具鲁棒性，能够处理一些未知扰动或模型不确定性；
29、(2)精确性高，能够实现非线性系统的精确跟踪，即使系统的动态非常复杂，能够实现高精度控制；
30、(3)具备高性能控制，能够实现系统性能的最优化；
31、(4)不需要系统的状态测量，可以减少系统的成本和复杂性。
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【技术保护点】
1.基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤(1)中建立机器人运动学模型时，首选分别区分确定机器人的重心与形体中心，并据此进一步确定机器人重心和形体中心之间的相对关系，再基于机器人重心和形体中心之间的相对关系来构建机器人运动学模型。
3.根据权利要求1所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤2)中建立机器人跟踪误差模型包括：
4.根据权利要求1所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤(3)中引入一阶滤波器包含一阶差分方程，且具有一个极点。
5.根据权利要求4所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤(3)中的两个一阶滤波器作为控制器的两个反馈信号时，相应的反馈信号及其导数的大小受限于两个滤波器参数。
6.根据权利要求5所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤(3)中在引入滤波器之后，还包括模拟和调整以优化速度控制器性能的步骤。
7.基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制系统，所述移动机器人轨迹跟踪控制系统为计算机程序产品，其特征在于，当在数据处理设备上执行时，适于执行权利要求1-6中任一项所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法的步骤。
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【技术特征摘要】
1.基于速度反馈控制的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤(1)中建立机器人运动学模型时，首选分别区分确定机器人的重心与形体中心，并据此进一步确定机器人重心和形体中心之间的相对关系，再基于机器人重心和形体中心之间的相对关系来构建机器人运动学模型。
3.根据权利要求1所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤2)中建立机器人跟踪误差模型包括：
4.根据权利要求1所述的移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于，在步骤(3)中引入一阶滤波器包含一阶差分方程...
【专利技术属性】
技术研发人员：蒋鸿福，尧祖成，郑佳奇，祁明顺，刘逸超，包新宇，马昕煦，阴光华，
申请(专利权)人：中国建筑第八工程局有限公司，
类型：发明
国别省市：
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