一种双轮差动式机器人运动控制方法技术

本发明专利技术涉及一种双轮差动式机器人运动控制方法，技术特征在于：以机器人的几何中心为坐标原点在世界坐标系XOY中建立本体坐标系xoy；基于运动学的双轮差动式机器人运动控制方法，该方法针对所有轮式机器人运动中最基本、最主要的两个动作，即轮式机器人原地转角动作和运动到定点动作，实现了对这两个动作的运动控制。双轮差动式机器人的所有复杂动作都可以由这两个基本动作合成。本发明专利技术提出采用基于误差比例控制法对其中的线速度函数作了合理的改进，同时结合弦切法，对机器人运动到定点进行综合控制。综合控制极大发挥了这两种方法各自的优点，避免了各自缺陷对机器人运动的影响。本发明专利技术中还针对循环震荡现象，提出了其相应的解决策略。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，具体地说是一种基于运动学的双轮差动式机器人运动控制方法，可用于任何要求具有高精度、高稳定性的双轮差动式机器人的运动控制。
技术介绍
机器人技术是一种面向未来的现代化技术，它和网络技术、基因技术、通信技术、计算机技术等科学技术一样，也属于高新技术。早在1920年时，"ROBOT"这个词就开始在捷克作家K.凯比克的一本科幻剧本中出现。在1950年，美国作家I.阿西莫夫又提出了机器人学(Roboties)这一概念，并提出了所谓的"机器人三原则"。在21世纪的今天，可以说机器人在当今社会对于人类的作用和影响越来越大，如在军事领域、医学领域、环保产业领域、农业领域、太空和深海探测等诸多方面都有着不同性能和不同种类的机器人从事着相关工作，并且随着各项技术的提高，机器人将对人类的进步和发展产生深远的影响。 业内周知，机器人要完成某个任务，都是通过其具体动作来实现的。而机器人的动作则由机器人最底层运动控制决定的，底层运动控制是完成各种复杂动作的基本保证。双轮差动机器人也不例外，所有的双轮差动机器人动作归根结底是根据场上的不同情况由决策系统自主直接指定其左、右轮速度，实现机器人的直线、曲线、和原地旋转等基本动作，再由这些基本动作组合成较为复杂的动作。由于对于双轮差动式机器人模型，从运动学角度讲它不能同时满足非完全约束和动力学约束的条件，是一个非完整系统。为了实现机器人快速而准确的运动控制，国内外学者在这方面提出了许多方法。例如在原地转角控制方面，现在普遍采用的是比例线性控制算法，即由当前方向角与目标方向角之间的差值A e作为控制量，然后通过大量测试确定一个比例系数a，将它们的乘积a， A e作为数字控制器的输出，作用到电机上以驱动车轮。这种方法原理简单直观，且容易实现，但在实际应用中，由于物理惯性的影响，会使机器人产生强烈的震荡，不能快速、稳定的达到目标角度。而在跑定点动作控制中，现在普遍采用的有弦切法、误差比例控制法等，这些方法虽然都有比较明确的物理或几何意义，但都由于没有对于物理惯性或机器人的实际应用环境给与特殊考虑，故在实际应用中都存在各个方面的问题。比如应用弦切法控制，就容易使机器人运动轨迹过长，从而延长了运动时间；而采用误差比例控制法，就容易使机器人在目标点附近产生强烈的震荡，不能有效的定位于目标点，而震荡现象也容易引起电机故障，从而减少电机的使用寿命。
技术实现思路
要解决的技术问题 为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出，以实现双轮差动式机器人在各种复杂工作环境下快速、稳定、精确的运动控制。 技术方案4 —种双轮差动式机器人运动控制方法，其特征在于以机器人的几何中心为坐标原点在世界坐标系XOY中建立本体坐标系xoy，转角运动的控制步骤和跑位运动的控制步骤如下 转角运动的控制步骤 步骤i计算机器人的当前方向角和目标方向角角度差A e =| ed-e」，其中ed为机器人的目标方向角，e。为机器人的当前方向角； 步骤2计算左右轮速值In" a<formula>formula see original document page 5</formula>、为左轮速值，VK为右轮速值；项数n和底数a的参数选择策略如下当A 9的区间为时，n取为2、a取为1.8 ;当A 9的区间为(5， 15]时，n取为3、 a取为1. 4 ;当A 9的区间为(15， 30]时，n取为4、a取为1.21 ;当A 9的区间为(30，90]时，n取为5、a取为1. 12 ;步骤3 :将步骤2得到的轮速分别作用于机器人左右轮的伺服电机上，驱动机器人左右轮作相应的转动； 跑位运动的控制步骤步骤1计算机器人当前位置坐标与目标点位置坐标的距离<formula>formula see original document page 5</formula>其中xsta、 ysta为机器人当前的位置坐标，X(tes、 ytes为目标点的位置坐标；步骤2计算机器人当前方向角与当前位置和目标点位置连线的夹角 △《=arctan(」Xfifey — 、ta 其中e n为机器人的当前方向角； 步骤3进行跑位震荡检测比较机器人运动最近三个仿真节拍的目标点坐标和机器人的位置坐标，当两拍的数据不相等时执行下一步骤； 当两拍的数据相等时，断定机器人当前处在目标点附近的震荡状态，将机器人正面朝向与X轴正方向夹角设为9p，机器人目标位置和当前位置的连线与X轴正方向的夹角设为、，则机器人执行转角运动控制步骤、做一个由9p转向9q的原地转角运动，然后执行下一步骤； 步骤4:以误差比例控制方法产生的最大震荡距离diSvib为分界线「^ = cos阔)+ g, 当dis > = disvib时，左右轮速值为<formula>formula see original document page 5</formula>(a e))和g(a e)采用拟合方法得到；^fr/，其中D— ^》 V的值L = r + A — 当dis < disvib时，左右轮速值为u T' i 2sin(A(9)，取f(dis cos(A e))，为指定的机器人运动的线速度，L是机器人两轮之间的距离； 所述的disvib为机器人的最大速度所对应的运动距离为其值； 所述的拟合方法为将若干组机器人运动距离dis、转角量A 9和运动速度v的关系dis-v和A e -v的数据，采用拟合方法得到如下公式 f (dis cos ( A 9 )) = 0. 14284* (dis cos ( A 9 )) 3-0. 66979* (dis cos ( A 9 ))2 +12. 519* (dis cos ( A 9 )) -() 23125 g(A 9) =0.01178*(A 9 )2+0. 1989*( A 9)+l 步骤5 :将步骤4得到的轮速分别作用于机器人左右轮的伺服电机上，驱动机器人左右轮作相应的转动。 有益效果 本专利技术提出的双轮差动式机器人运动控制方法，相比现有技术的优越性在于 (1)本专利技术由于基于运动学模型，因而在具体实现时，控制系统分为两层。上层是基于运动学模型的机器人运动控制算法，下层是电机速度控制器控制驱动电机旋转以带动车轮运动。上层在实现机器人的运动控制时，可以不考虑机器人的动力学特性，即下层的电机速度控制对上层来讲是透明的，这样的建模思想直接反映了机器人的主要运动特性，便于建立合理的运动模型，而且易于设计相应的控制器，同时也使系统开发模块化，便于以后控制算法的改进。 (2)本专利技术由于考虑了机器人运动中惯性的影响，因而机器人的运动控制更加精确和全面。 (3)本专利技术的指数型原地转角控制算法中，由于可以按角度差A e的大小分成不同的区间，在各区间上分别确定待定参数，因而扩大了该算法的适用性，同时也提高了机器人的控制效果。 (4)本专利技术综合运用了误差比例控制法和弦切法，从而充分发挥了其各自的优点，同时又避免了其各自算法的不足。 (5)本专利技术对误差比例控制法中的线速度函数f (dis)做了部分改进，从而提高了机器人运动的精确性。 (6)本专利技术参考计算机操作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双轮差动式机器人运动控制方法，其特征在于：以机器人的几何中心为坐标原点在世界坐标系ＸＯＹ中建立本体坐标系ｘｏｙ，转角运动的控制步骤和跑位运动的控制步骤如下：转角运动的控制步骤：步骤１计算机器人的当前方向角和目标方向角角度差：Δθ＝｜θ↓［ｄ］－θ↓［ｎ］｜，其中θ↓［ｄ］为机器人的目标方向角，θ↓［ｎ］为机器人的当前方向角；步骤２计算左右轮速值：＊＊＊Ｖ↓［Ｌ］为左轮速值，Ｖ↓［Ｒ］为右轮速值，项数ｎ和底数ａ的参数选择策略如下：当Δθ的区间为［０，５］时，ｎ取为２、ａ取为机上，驱动机器人左右轮作相应的转动。１．８；当Δθ的区间为（５，１５］时，ｎ取为３、ａ取为１．４；当Δθ的区间为（１５，３０］时，ｎ取为４、ａ取为１．２１；当Δθ的区间为（３０，９０］时，ｎ取为５、ａ取为１．１２；步骤３：将步骤２得到的轮速分别作用于机器人左右轮的伺服电机上，驱动机器人左右轮作相应的转动；跑位运动的控制步骤：步骤１计算机器人当前位置坐标与目标点位置坐标的距离：＊＊＊其中：ｘ↓［ｓｔａ］、ｙ↓［ｓｔａ］为机器人当前的位置坐标，ｘ↓［ｄｅｓ］、ｙ↓［ｄｅｓ］为目标点的位置坐标；步骤２计算机器人当前方向角与当前位置和目标点位置连线的夹角：Δθ＝ａｒｃｔａｎ（ｙ↓［ｄｅｓ］－ｙ↓［ｓｔａ］／ｘ↓［ｄｅｓ］－ｘ↓［ｓｔａ］）－θ↓［ｎ］其中：θ↓［ｎ］为机器人的当前方向角；步骤３进行跑位震荡检测：比较机器人运动最近三个仿真节拍的目标点坐标和机器人的位置坐标，当两拍的数据不相等时执行下一步骤；当两拍的数据相等时，断定机器人当前处在目标点附近的震荡状态，将机器人正面朝向与Ｘ轴正方向夹角设为θ↓［ｐ］，机器人目标位置和当前位置的连线与Ｘ轴正方向的夹角设为θ↓［ｑ］，则机器人执行转角运动控制步骤、做一个由θ↓［ｐ］转向θ↓［ｑ］的原地转角运动，然后执行下一步骤；步骤４：以误差比例控制方法产生的最大震荡距离ｄｉｓ↓［ｖｉｂ］为分界线：当ｄｉｓ＞＝ｄｉｓ↓［ｖｉｂ］时，左右轮速值为＊＊＊，其中ｆ（ｄｉｓ·ｃｏｓ（Δθ））和ｇ（Δθ）采用拟合方法得到；当ｄｉｓ＜ｄｉｓ↓［ｖｉｂ］时，左右轮速值为＊＊＊，其中Ｒ＝ｄｉｓ／２ｓｉｎ（Δθ），Ｖ的值取ｆ（ｄｉｓ·ｃｏｓ（Δθ）），为指定的机器人运动的线速度，Ｌ是机器人两轮之间的距离；所述的ｄｉｓ↓［ｖｉｂ］为机器人的最大速度所对应的运动距离为其值；所述的拟合方法为：将若干组机器人运动距离ｄｉｓ、转角量Δθ和运动速度ｖ的关系ｄｉｓ－ｖ和Δθ－ｖ的数据，采用拟合方法得到如下公式：ｆ（ｄｉｓ·ｃｏｓ（Δθ））＝０．１４２８４＊（ｄｉｓ·ｃｏｓ（Δθ））↑［３］－０．６６９７９＊（ｄｉｓ·ｃｏｓ（Δθ））↑［２］＋１２．５１９＊（ｄｉｓ·ｃｏｓ（Δθ））－０．２３１２５ｇ（Δθ）＝０．０１１７８＊（Δθ）↑［２］＋０．１９８９＊（Δθ）＋１步骤５：将步骤４得到的轮速分别作用于机器人左右轮的伺服电...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史豪斌，李文彬，张磊，潘炜，于竹君，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：87