[發明專利]基于數值加速度控制的全方位移動機器人軌跡跟蹤方法

有效

• 申請號: 201710957396.2
• 申請日: 2017-10-16
• 公開（公告）號: CN107656500B
• 公開（公告）日: 2019-11-12
• 發明（設計）人: 王俊鋒;米澤碩玉;楊俊友;王義娜;常洪彬;馬昕宇
• 申請（專利權）人: 廣東智愛機器人科技有限公司
• 主分類號: G05B19/19
• 分類號: G05B19/19;G05B19/416
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 潘俊達

本發明公開了一種基于數值加速度控制的全方位移動機器人軌跡跟蹤方法，包括以下步驟：針對全方位移動機器人進行物理建模；設定采樣周期，建立全方位移動機器人的離散型動力學模型；設定目標軌跡，為使全方位移動機器人跟蹤目標軌跡，基于數值加速度控制，計算作用在各個全方位移動部件上的驅動力；構建全方位移動機器人跟蹤誤差的離散狀態反饋系統，求出實現軌跡跟蹤的數值加速度控制器的最優參數；導入目標軌跡的未來信息，設計可使軌跡跟蹤精度得到進一步有效提高的數值加速度控制器。本發明的軌跡跟蹤控制方法，在各個全方位移動部件所承受的地面摩擦力實時變化情況下也能實現高精度的軌跡跟蹤，并且具有良好的魯棒性。

技術領域

本發明屬于機器人控制技術領域，尤其涉及一種基于數值加速度控制的全方位移動機器人軌跡跟蹤方法。

背景技術

隨著時代的進步和科學技術的不斷發展，機器人被廣泛應用到物質生產和人類生活中。全方位移動機器人擺脫了轉彎半徑的限制，可進行零曲率半徑運動，與普通移動機器人相比,具有機動靈活的運動特性，在機器人研究領域人已經成為一個重要分支。它可以在任意時刻實現前后、左右、自轉、向任意方向的運動。

現代社會正處于不可避免的老齡化階段，輔助老人生活的移動機器人將成為老人居家生活的重要支撐之一。而老人居家空間有限，家具擺設又沒有規律，所以作為輔助老人生活的移動機器人，可在狹小空間內移動的全方位移動機器人技術，是比較合適的理想技術方案。利用全方位移動機器人輔助老人生活，最關鍵的是安全性。全方位移動機器人行走時為避免撞擊周圍的人和物，在室內全局或局部路徑規劃好的軌跡上，必須具備有高精度的軌跡跟蹤能力。但是全方位移動機器人在室內使用時，不同的房間可能會有不同的地面材質，如地毯，地板等，另外還有濕度，溫度，機械磨損等因素影響，導致機器人所承受的地面摩擦力不同。即全方位移動機器人是典型的非線性時變系統。作為非線性時變系統軌跡跟蹤控制的常用方法有，PID控制，神經網絡法，模糊控制等。對于給定的目標軌跡，PID控制法在一定的地面條件，即當摩擦一定時，通過調節其控制參數，可以達到一定的追蹤精度。但是當改變軌跡，或者地面條件變化，即摩擦實時變化時，需要重新調節PID控制參數，否則將不能保證軌跡跟蹤的精度。因此說用PID控制實現全方位移動機器人軌跡跟蹤時，很難實時對應各種軌跡以及適應各種不同的地面條件。神經網絡法，可以克服全方位移動機器人系統由于摩擦等因素所引起非線性時變外部擾動，但其算法復雜，在線學習時間長，所以神經網絡法不容易實現全方位移動機器人的實時軌跡跟蹤控制。模糊控制法不需要對系統進行建模，但模糊控制規則把各種軌跡，各種時變摩擦等因素都面面俱到地包含進去是不現實的。目前，全方位移動機器人的軌跡跟蹤問題是國內外研究的難點問題。

發明內容

本發明的目的在于：針對現有技術的不足，而提供一種基于數值加速度控制的全方位移動機器人軌跡跟蹤方法，該方法的數值控制器設計不是單純將通常的連續時間控制法進行數值化，而是基于作用在全方位移動機器人的萬向輪上的驅動力和全方位移動機器人運動中的加速度、速度和位置三者的瞬間關系，利用目標軌跡的未來信息而實現的。另外，該方法的數值控制器能很好地處理全方位移動機器人所承受的地面摩擦等非線性時變外擾，并且由構成的跟蹤誤差狀態反饋形式，用極點配置法或者最優理論可以選出數值控制器中的最優調節參數，軌跡跟蹤精度將得到進一步有效提高。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于數值加速度控制的全方位移動機器人軌跡跟蹤方法，包括以下步驟：

步驟一，全方位移動機器人的物理建模，全方位移動部件為四個萬向輪，考慮地面對全方位移動機器人的非線性摩擦力影響的運動學模型和動力學模型分別如式(1)和式(2)所示，