[發明專利]基于事件觸發的機器人變增益超螺旋滑模控制方法及系統

在審

• 申請號: 202210064143.3
• 申請日: 2022-01-20
• 公開（公告）號: CN114488804A
• 公開（公告）日: 2022-05-13
• 發明（設計）人: 謝遠龍;吳昊;王書亭;蔣立泉;劉宇;胡倚銘;熊體凡;段佳旺;吳航;李逸飛
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;尚威

本發明屬于機器人控制領域，并具體公開了一種基于事件觸發的機器人變增益超螺旋滑模控制方法及系統，其包括：S1、構建機器人多模式統一運動學誤差模型；S2、設計與誤差相關的PI滑模面；S3、設計無顫振超螺旋滑模趨近律，并構建增益自適應函數，使滑動變量遠離滑模面時采用與時間線性相關的高增益，到達預定鄰域時切換至基于勢壘函數的變增益；S4、基于機器人多模式統一運動學誤差模型和無顫振超螺旋滑模趨近律設計控制器，以控制機器人進行軌跡跟蹤；對遠離滑模面的滑動變量，采用周期采樣的時間觸發形式；對于到達預定鄰域的滑動變量，采用事件觸發形式。本發明能夠實現快速收斂，在缺乏擾動導數的邊界信息時實現無抖動的跟蹤控制。

技術領域

本發明屬于機器人控制領域，更具體地，涉及一種基于事件觸發的機器人變增益超螺旋滑模控制方法及系統。

背景技術

高精度軌跡跟蹤是移動機器人控制領域最關鍵的問題之一，也是機器人行業關注的課題，通常情況下，較好的方法是通過確定運動學模型來實現運動學控制。由于滑模控制的簡單性，對擾動不敏感而被廣泛應用于移動機器人領域。滑模控制本質上為變結構控制，開關增益高會導致這種系統中出現大幅度的震顫，為了避免顫振，通常會選擇降低增益，這種方法將犧牲跟蹤精度和響應速度，另外，還出現了比如積分滑模，超螺旋滑模等方法，可以有效的減小到達滑模面時的抖動。與此同時，在復雜的操作環境中，構建精確的模型必然會有未知干擾，通常采用的滑模控制(SMC)可以提供針對未知干擾的閉環不敏感度，大多數SMC設計需要實施有界干擾或導數的上限，通過自適應地調節相應的控制增益增強系統的魯棒性，并能夠保證到所需滑動面的有限時間收斂性。

盡管SMC在工業領域已顯示出其有效性，但是將SMC方法應用于機器人的運動控制時，還存在以下亟待改進的方面：

1)雖然超螺旋滑模在改進顫振方面有著明顯優勢，但是超螺旋滑模趨近律本質上為變速趨近，當輸出變量在滑模面附近時，如果采用固定增益，增益過大時，到達滑模面系統具有較大的速度，會引起較大的抖振，如果增益過小，調節時間長；

2)當擾動上界未知時無法實現自適應控制，在缺乏擾動導數的邊界信息時，如何實現無抖動的SMC方案來對移動機器人進行跟蹤控制成為重要問題。

3)傳統的周期采樣控制增加控制器的負載運算，當擾動跳變頻繁時不能很好的對系統收斂性進行有效監督。

因此，亟需一種在擾動邊界未知時能夠進行增益自適應調節，且快速響應的跟蹤控制方法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基于事件觸發的機器人變增益超螺旋滑模控制方法及系統，其目的在于，在缺乏擾動導數的邊界信息時，實現快速、無抖動的移動機器人自適應跟蹤控制。

為實現上述目的，按照本發明的一方面，提出了一種基于事件觸發的機器人變增益超螺旋滑模控制方法，包括如下步驟：

S1、構建機器人多模式統一運動學誤差模型；

S2、設計與誤差相關的PI滑模面；

S3、設計無顫振超螺旋滑模趨近律，并構建其中的增益自適應函數，使滑動變量遠離滑模面時采用與時間線性相關的高增益，到達預定鄰域時切換至基于勢壘函數的變增益；

S4、基于機器人多模式統一運動學誤差模型和無顫振超螺旋滑模趨近律設計控制器，以控制機器人進行軌跡跟蹤；其中，對遠離滑模面的滑動變量，采用周期采樣的時間觸發形式；對于到達預定鄰域的滑動變量，采用事件觸發形式。

作為進一步優選的，步驟S1中，構建的機器人多模式統一運動學誤差模型如下：

其中，f(q_e)、g(q_e)為誤差矩陣，u為控制律，即控制輸入，表示為：