[發(fā)明專利]一種輪式移動機器人控制方法

有效

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• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN110083061B
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬飛越;丁培;周秀;馬波;何寧輝;閆振華;高博;張慶平;劉威峰;李奇超;伍弘;張佩;韓吉霞;佃松宜;趙濤
• 申請（專利權(quán)）人: 國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學研究院;四川大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 廣州市一新專利商標事務(wù)所有限公司 44220
• 代理人: 張芳

本發(fā)明涉及一種輪式移動機器人控制方法。其特點是，包括如下步驟：步驟一：建立輪式移動機器人運動學模型；步驟二：建立雙閉環(huán)系統(tǒng)并且通過非奇異終端滑模與廣義二型模糊結(jié)合的方法對移動機器人的位置軌跡和角度進行跟蹤，具體是雙閉環(huán)系統(tǒng)的外環(huán)對移動機器人的位置軌跡進行跟蹤，而雙閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)對移動機器人的角度進行跟蹤，兩者都將滑模面作為模糊系統(tǒng)的控制輸入，將模糊系統(tǒng)的輸出作為滑模趨近律參數(shù)，并且設(shè)計內(nèi)環(huán)收斂速度快于外環(huán)收斂速度。本發(fā)明提出了一種輪式移動機器人控制方法，具體是一種雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過廣義二型模糊控制與滑模控制結(jié)合的方法，提高抗外界干擾能力，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種輪式移動機器人控制方法。

背景技術(shù)

移動機器人可通過自身移動完成許多危險任務(wù)，有效代替人力，如排雷、海底勘測、無人車駕駛、煤礦井下工作等，在軍事、海洋、人類生活等諸多領(lǐng)域都擁有巨大實用價值。同時，機器人研究技術(shù)日趨成熟，其制作及應(yīng)用已成為衡量國家科技創(chuàng)新能力和高端制造業(yè)能力的重要標志。本發(fā)明研究的輪式移動機器人(wheeled mobile robot,WMR)是典型的多輸入多輸出非完整系統(tǒng)，其通過兩個后輪的差速驅(qū)動來控制機器人運動速度和行駛方向。雙后輪在差速驅(qū)動時，WMR表現(xiàn)為非協(xié)調(diào)系統(tǒng)；同時，由于WMR受結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)不確定性因素影響，控制難度增加，因而被各國學者高度重視并廣泛研究。

研究人員提出諸多方法對WMR的軌跡進行跟蹤，如滑模控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制，模糊控制等。其中，自適應(yīng)控制具有結(jié)構(gòu)相似性和參數(shù)可變性，對系統(tǒng)內(nèi)、外環(huán)境變化具有很強的自動適應(yīng)能力，對結(jié)構(gòu)性不確定性系統(tǒng)是很好的選擇；滑模控制因其系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)特性，迫使系統(tǒng)按照“滑動模態(tài)”軌跡運動，使其具有響應(yīng)迅速和強魯棒性等優(yōu)點。但此過程中伴隨的抖振現(xiàn)象不可忽視，雖然可通過邊界層避免抖振的產(chǎn)生，但需要估算不確定性的界值來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。然而，在實際應(yīng)用上，一般很難做到精確估計界值，從而導致控制增益較小不能有效彌補系統(tǒng)不確定性，控制增益較大雖可對系統(tǒng)不確定性要求降低，但依然存在抖振現(xiàn)象的問題。

自適應(yīng)控制無法解決非結(jié)構(gòu)不確定性問題；滑模控制在系統(tǒng)穩(wěn)定過程中伴隨的抖振現(xiàn)象不可忽視，雖然可通過邊界層避免抖振的產(chǎn)生，但需要估算不確定性的界值來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。然而，在實際應(yīng)用上，一般很難做到精確估計界值，從而導致控制增益較小不能有效彌補系統(tǒng)不確定性，控制增益較大雖可對系統(tǒng)不確定性要求降低，但依然存在抖振現(xiàn)象的問題。

采用單一的控制方法對WMR進行跟蹤控制，雖然有結(jié)構(gòu)簡單易操作的優(yōu)點，但是在復(fù)雜的實際應(yīng)用過程中，總會存在各種性能上的不足。因此，許多學者提出將不同控制方法結(jié)合對WMR進行跟蹤控制，以達到更好的控制效果。例如采用自適應(yīng)神經(jīng)元位置控制器方法,有效解決了控制初始階段誤差突變的問題并降低了系統(tǒng)輸入抖振；采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)滑模控制動態(tài)逼近控制器參數(shù)，使系統(tǒng)處于或最接近最優(yōu)狀態(tài)；采用PID與終端滑模控制相結(jié)合，使系統(tǒng)在有限時間內(nèi)收斂至穩(wěn)定狀態(tài)，并對外界擾動有一定抗干擾能力，但是依然沒有考慮抖振問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種輪式移動機器人控制方法，能夠顯著提高抗外界干擾能力，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，并在更短的時間內(nèi)收斂至平衡狀態(tài)，跟蹤上理想軌跡。

一種輪式移動機器人控制方法，其特別之處在于，包括如下步驟：

步驟一：建立輪式移動機器人運動學模型；

步驟二：建立雙閉環(huán)系統(tǒng)并且通過非奇異終端滑模與廣義二型模糊結(jié)合的方法對移動機器人的位置軌跡和角度進行跟蹤，具體是雙閉環(huán)系統(tǒng)的外環(huán)對移動機器人的位置軌跡進行跟蹤，而雙閉環(huán)系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)對移動機器人的角度進行跟蹤，兩者都將滑模面作為模糊系統(tǒng)的控制輸入，將模糊系統(tǒng)的輸出作為滑模趨近律參數(shù)，并且設(shè)計內(nèi)環(huán)收斂速度快于外環(huán)收斂速度從而保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時削弱系統(tǒng)抖振從而令移動機器人有更好的運動性能。

步驟一中運動學模型具體如下：