[发明专利]基于数值加速度控制的全方位移动机器人轨迹跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于数值加速度控制的全方位移动机器人轨迹跟踪方法，包括以下步骤：针对全方位移动机器人进行物理建模；设定采样周期，建立全方位移动机器人的离散型动力学模型；设定目标轨迹，为使全方位移动机器人跟踪目标轨迹，基于数值加速度控制，计算作用在各个全方位移动部件上的驱动力；构建全方位移动机器人跟踪误差的离散状态反馈系统，求出实现轨迹跟踪的数值加速度控制器的最优参数；导入目标轨迹的未来信息，设计可使轨迹跟踪精度得到进一步有效提高的数值加速度控制器。本发明的轨迹跟踪控制方法，在各个全方位移动部件所承受的地面摩擦力实时变化情况下也能实现高精度的轨迹跟踪，并且具有良好的鲁棒性。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种基于数值加速度控制的全方位移动机器人轨迹跟踪方法。

背景技术

随着时代的进步和科学技术的不断发展，机器人被广泛应用到物质生产和人类生活中。全方位移动机器人摆脱了转弯半径的限制，可进行零曲率半径运动，与普通移动机器人相比,具有机动灵活的运动特性，在机器人研究领域人已经成为一个重要分支。它可以在任意时刻实现前后、左右、自转、向任意方向的运动。

现代社会正处于不可避免的老龄化阶段，辅助老人生活的移动机器人将成为老人居家生活的重要支撑之一。而老人居家空间有限，家具摆设又没有规律，所以作为辅助老人生活的移动机器人，可在狭小空间内移动的全方位移动机器人技术，是比较合适的理想技术方案。利用全方位移动机器人辅助老人生活，最关键的是安全性。全方位移动机器人行走时为避免撞击周围的人和物，在室内全局或局部路径规划好的轨迹上，必须具备有高精度的轨迹跟踪能力。但是全方位移动机器人在室内使用时，不同的房间可能会有不同的地面材质，如地毯，地板等，另外还有湿度，温度，机械磨损等因素影响，导致机器人所承受的地面摩擦力不同。即全方位移动机器人是典型的非线性时变系统。作为非线性时变系统轨迹跟踪控制的常用方法有，PID控制，神经网络法，模糊控制等。对于给定的目标轨迹，PID控制法在一定的地面条件，即当摩擦一定时，通过调节其控制参数，可以达到一定的追踪精度。但是当改变轨迹，或者地面条件变化，即摩擦实时变化时，需要重新调节PID控制参数，否则将不能保证轨迹跟踪的精度。因此说用PID控制实现全方位移动机器人轨迹跟踪时，很难实时对应各种轨迹以及适应各种不同的地面条件。神经网络法，可以克服全方位移动机器人系统由于摩擦等因素所引起非线性时变外部扰动，但其算法复杂，在线学习时间长，所以神经网络法不容易实现全方位移动机器人的实时轨迹跟踪控制。模糊控制法不需要对系统进行建模，但模糊控制规则把各种轨迹，各种时变摩擦等因素都面面俱到地包含进去是不现实的。目前，全方位移动机器人的轨迹跟踪问题是国内外研究的难点问题。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种基于数值加速度控制的全方位移动机器人轨迹跟踪方法，该方法的数值控制器设计不是单纯将通常的连续时间控制法进行数值化，而是基于作用在全方位移动机器人的万向轮上的驱动力和全方位移动机器人运动中的加速度、速度和位置三者的瞬间关系，利用目标轨迹的未来信息而实现的。另外，该方法的数值控制器能很好地处理全方位移动机器人所承受的地面摩擦等非线性时变外扰，并且由构成的跟踪误差状态反馈形式，用极点配置法或者最优理论可以选出数值控制器中的最优调节参数，轨迹跟踪精度将得到进一步有效提高。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于数值加速度控制的全方位移动机器人轨迹跟踪方法，包括以下步骤：

步骤一，全方位移动机器人的物理建模，全方位移动部件为四个万向轮，考虑地面对全方位移动机器人的非线性摩擦力影响的运动学模型和动力学模型分别如式(1)和式(2)所示，