[发明专利]一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法

说明书

技术领域

本发明属于移动机器人的轨迹跟踪控制领域，尤其涉及到一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法。

背景技术

轮式移动机器人是一种将环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能综合于一体的移动平台，具备高度自规划、自组织和自适应能力，可在无人干预和复杂环境下有目的地自主运动，并完成特定的作业功能。由于轮式移动机器人在物料自动搬运、特殊人群服务、抢险救灾、未知和危险地域探索等方面应用具有不可比拟的优势，已广泛地应用于工农业、服务业、国防、宇宙探索等领域，对人类社会的生产和生活产生了积极而深远的影响。

非完整轮式移动机器人(wheeled mobile robot，WMR)是一种典型的多输入多输出耦合欠驱动非线性系统，其运动控制问题极具挑战性。一方面，应当考虑实际系统一些被忽略的固有非线性特性，如摩擦、间隙、执行器饱和等；另一方面，系统还会受到外界扰动以及参数不确定性的影响，这些因素造成实际系统与理想数学模型出现较大的偏差。基于理想数学模型所设计的控制律往往难以达到所需的控制指标，甚至会引起系统不稳定。需设法来消除系统不确定性的不利影响，这给运动控制带来了更大的挑战。因此，解决复杂情况下非完整轮式移动机器人的运动控制问题具有重要的理论意义和实际应用价值。

滑模控制作为一种变结构控制方法，当系统运动状态到达滑模面上时，对系统参数的不确定性以及外界干扰有着很强的鲁棒性。(张鑫,刘凤娟,闫茂德.基于动力学模型的轮式移动机器人自适应滑模轨迹跟踪控制[J].机械科学与技术.2012(01))采用自适应滑模控制算法，实现机器人轨迹跟踪。但对于较大扰动滑模控制会引起系统的抖振，本发明结合扰动观测器，以降低外部扰动带来的抖振问题。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是给出一种能够在轮式移动机器人控制系统存在参数扰动和外界干扰的情况下进行轨迹跟踪控制。

技术方案：本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：设计了一种基于轮式移动机器人轨迹跟踪的混合控制方法，包括如下具体步骤：

步骤(1)：对轨迹模型和机器人执行机构进行分析，建立具有非完整性约束的移动机器人运动学模型和动力学模型；

步骤(2)：利用单目摄像头获取轨迹，结合步骤(1)所推导的运动学模型，确定机器人要实现轨迹跟踪虚拟线速度和角速度控制器v_c,w_c；

步骤(3)：利用光电编码器获取机器人两轮的角速度根据转换公式计算实际的机器人线速度和角速度v,w；计算步骤(2)中获得的虚拟速度和角速度与实际速度和角速度的偏差

步骤(4)：根据步骤(3)中的选择合适的滑模面S；

步骤(5)：根据步骤(4)中的滑模面S确定移动机器人左右轮驱动电机的力矩控制量(τ₁,τ₂)^T；

步骤(6)：根据步骤(5)的(τ₁,τ₂)^T和当前的机器人实际速度v,w设计干扰观测器并进行相应的前馈补偿，减小系统抖振。

作为本发明的第一个改进，步骤(4)中所选择的滑膜面为：