[发明专利]一种基于自适应滑模控制的移动机器人轨迹跟踪新方法

说明书

本发明提出一种基于自适应滑模控制的移动机器人轨迹跟踪新方法。在松软崎岖等环境下移动机器人会遇到滑转和滑移等问题，这会导致移动机器人实际运动状态和目标运动状态产生不定偏差。对误差产生的运动学机理进行分析，本方法得到了轮式移动机器人的轨迹跟踪滑转补偿模型。其他不定跟踪误差如滑移产生的误差等需要使用鲁棒性强的控制方法来消除。本发明提出了自适应快速双幂次滑模控制率，即可以保证轨迹跟踪的效果，又抑制了跟踪过程中的抖振。在容易产生运动状态不稳定的环境中，本方法通过施加滑转补偿和自适应双幂次滑模控制率，抑制了轮式移动机器人轨迹跟踪误差，进而保证了轨迹跟踪的及时性和稳定性。

技术领域

本发明属于轮式移动机器人轨迹跟踪领域，涉及一种基于自适应滑模控制的移动机器人轨迹跟踪新方法。

背景技术

轮式移动机器人在地面和星球环境探索过程中都有成熟而广泛的应用。目前轮式移动机器人的研究，主要基于轮地之间无滑转或滑移的假设，来简化问题的描述和分析。这种“理想非完整约束”在地面坚硬且车辆摩擦系数足够大的时候近似成立，然而在不满足上述条件的地形中，滑转和滑移是不可避免的，基于上述假设设计的轮式移动机器人控制策略显然无法确保轨迹跟踪任务的高质量完成。

例如在松软崎岖等容易引发机器人实际运动状态和目标运动状态产生不定偏差的环境中，仅使用简单的控制模型难以消除不确定的干扰，因此需要对误差产生的运动学机理进行分析以得到更佳的控制效果。例如经过分析可以得到针对轮式移动机器人的轨迹跟踪滑转补偿模型，提高轨迹跟踪任务的完成效果。

滑移等原因产生的不定跟踪误差需要使用鲁棒性强的控制方法来消除。滑模控制方法由于其良好的鲁棒性广泛使用于轨迹跟踪问题的研究。但传统的滑模控制方法有容易抖振，跟踪速度的快慢与所选取的趋近率有关等潜在问题。一般来说幂次趋近率在稳定阶段响应速度快，但到达稳定状态的过程慢，而快速趋近率到达稳定状态速度快，但是稳定阶段响应相对变慢。因此将二者结合可以更好的提高基于滑模控制的轨迹跟踪性能。常规的滑模控制方法在接近稳态时会产生抖振，产生不定误差，影响跟踪效果，因此需要增加自适应控制来抑制抖振，保证轨迹跟踪的及时性和稳定性。

文献《移动机器人的全局轨迹跟踪控制》提出了双轮移动机器人的轨迹跟踪模型，但仅针对理想误差进行了验证，并不能证明其误差不确定的实际环境中不定干扰的有效性。文献《基于快速双幂次趋近律的新型滑模控制》提出快速双幂次趋近率，但该方法并没有有效消除控制输出的抖振。文献《永磁同步电动机新型自适应滑模控制》提出针对永磁电机的自适应滑模控制，但不适用于移动机器人。

发明内容

本发明的主要目的是通过一定的控制手段高质量完成复杂环境中运行的轮式移动机器人的轨迹跟踪任务。本方法首先分析轮式移动机器人进行转弯时，与纵向滑转的耦合运动学模型，设计滑转补偿模型。然后针对可能产生的滑移等其他不确定干扰，设计了自适应快速双幂次滑模控制率，指导轮式移动机器人进行轨迹跟踪。

一种基于自适应滑模控制的移动机器人轨迹跟踪新方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：在每个控制周期开始时，给定移动机器人新的目标运动状态；

步骤二：控制算法根据新的目标运动状态与测量得到的当前运动状态之间的误差，通过自适应快速双幂次滑模控制给出此周期内机器人期望运动指令来减小误差；

步骤三：为机器人的当前期望运动指令施加实时滑转补偿，给入移动机器人的执行机构并执行；

步骤四：移动机器人执行接收到的运动指令，直至当前控制周期结束，回到步骤一。

上文所述的运动状态包含了机器人的位置和速度等综合信息。以上四个步骤循环执行直到控制系统收到停止指令。

附图说明

图1一般轮式移动机器人的简化为二轮模型的示意图；