[發明專利]蛇形機器人自適應攀爬控制方法、系統、裝置及介質

有效

• 申請號: 202011565930.3
• 申請日: 2020-12-25
• 公開（公告）號: CN112731802B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 肖文煜;魏武;張杰;高勇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G05B13/02
• 分類號: G05B13/02;B62D57/024
• 代理公司: 廣州嘉權專利商標事務所有限公司 44205
• 代理人: 常柯陽

1.一種蛇形機器人自適應攀爬控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

采用改進后的攀爬步態控制函數控制蛇形機器人進行攀爬運動；

依據擴展卡爾曼濾波原理，設計參數自適應調節算法；

結合改進后的攀爬步態控制函數和所述參數自適應調節算法，控制所述蛇形機器人在攀爬過程中對桿徑的變化進行自適應調節；

所述改進后的攀爬步態控制函數為對原始的攀爬步態函數進行關節的解耦合后，再與Sigmoid函數結合獲得；

所述依據擴展卡爾曼濾波原理，設計參數自適應調節算法，包括：

分析改進后的攀爬步態控制函數的數學表達式，選定控制參數對為需作自適應調整的狀態變量，選定關節角度值θ_n為觀測量；

根據選定的狀態變量和觀測量建立系統的狀態方程和觀測方程；

利用所述狀態方程和所述觀測方程，結合擴展卡爾曼濾波理論，使用泰勒級數對所述系統進行線性化；

設定所述擴展卡爾曼濾波理論中其余變量的初始值，完成擴展卡爾曼濾波器的變量參數設置，獲得參數自適應調節算法；

所述結合改進后的攀爬步態控制函數和所述參數自適應調節算法，控制所述蛇形機器人在攀爬過程中對桿徑的變化進行自適應調節，包括：

利用改進后的攀爬步態控制函數和所述參數自適應調節算法，構建所述蛇形機器人的閉環控制回路；

獲取所述蛇形機器人各個關節的角度值，將所述角度值反饋至所述閉環控制回路，作為所述擴展卡爾曼濾波器的輸入值；

根據所述擴展卡爾曼濾波器的輸出值控制所述蛇形機器人各個關節的角度值，以使所述蛇形機器人自適應攀爬過程中桿徑的變化。

2.根據權利要求1所述的一種蛇形機器人自適應攀爬控制方法，其特征在于，所述蛇形機器人為正交鏈接的蛇形機器人，包括N個俯仰關節與N個偏航關節，所述N為大于2的整數。

3.根據權利要求1所述的一種蛇形機器人自適應攀爬控制方法，其特征在于，所述蛇形機器人在關節解耦合狀態下的攀爬步態控制函數如下：

其中，A₁與A₂分別表示桿徑變化前后的控制變量，ω表示關節轉動的頻率，v表示攀爬過程中螺距的大小，ε為偏移角，c表示期望解耦的關節序號，w表示攀爬步態螺距的變化率。

4.根據權利要求1所述的一種蛇形機器人自適應攀爬控制方法，其特征在于，在確定所述擴展卡爾曼濾波器各個變量參數之后，對濾波后的控制參數作如下改進：

其中，sgn(·)為符號函數，表示卡爾曼濾波預測的桿徑變化控制量基準，表示卡爾曼濾波預測的桿徑變化控制量的變化幅度，表示機器人位于不同桿徑處由卡爾曼濾波預測得到的解耦關節序號，表示卡爾曼濾波預測的攀爬步態螺距的變化率，m表示額外控制量，以便于提供足夠的摩擦力用于攀爬。

5.根據權利要求1所述的一種蛇形機器人自適應攀爬控制方法，其特征在于，所述設定所述擴展卡爾曼濾波理論中其余變量的初始值，包括：

對于先驗協方差矩陣P_k的初值設定為單位矩陣，對于過程噪聲Q設置為如下形式：

其中，ψ是一個作用于一階導數的帶有實際噪聲參數的對角矩陣；F(τ)表示狀態方程對狀態變量的導數。