[发明专利]一种蛇形机器人路径跟随自抗扰控制方法

说明书

本发明公开一种蛇形机器人路径跟随自抗扰控制方法，通过航向角自抗扰控制器的航向角扩张状态观测器与关节角自抗扰控制器的关节角扩张状态观测器分别估计蛇形机器人的航向角的模型未知部分和外部未知扰动在内的航向角总扰动以及关节角模型的未知部分和外部未知扰动在内的关节角总扰动，然后通过对应的控制量补偿航向角总扰动、关节角总扰动对控制系统造成的影响，从而实现蛇形机器人的路径跟随控制。本发明对模型信息依赖度小；当蛇形机器人运动过程中受到时变或恒值外部未知扰动时能很快恢复到稳定状态，并跟随期望路径运动；不仅控制精度高，而且鲁棒性强抗扰性高。

技术领域

本发明属于机器人路径跟随问题的控制技术领域，特别是涉及一种蛇形机器人路径跟随自抗扰控制方法。

背景技术

路径跟随控制是指移动机器人在没有时间约束下到达空间上的给定曲线，是移动机器人实现其他运动控制任务的基础。移动机器人的路径跟随控制问题广泛见于各种工业、商业和军事科学研究中，所以研究移动机器人的路径跟随控制具有重要的科学研究意义和实际应用价值。蛇形机器人能够像生物蛇一样通过身体结构的变换协调配合来实现多运动步态能力，可以适应复杂多变和具有挑战性的运动环境，因而可以在一些不规则的区域运动，例如沼泽、沙滩、草地、崎岖不平的山路等。蛇形机器人与履带式机器人、腿式机器人、轮式机器人等传统的移动机器人相比具有更强的环境适应性和功能执行能力，可以实现工业或军事任务中的复杂且危险的任务。蛇形机器人是一个多自由度的高度耦合的欠驱动非线性系统，其动力学模型相当复杂，摩擦系数未知使得动力学模型存在不确定性，而且在实际应用中还会受到外部未知扰动的影响，这给蛇形机器人的路径跟随控制设计带来了巨大的挑战，严重阻碍了蛇形机器人的实际工程应用与发展。在蛇形机器人系统存在模型不确定及外部未知扰动的影响下，如何实现高精度强鲁棒性的路径跟随控制一直是研究的热点问题。

有关蛇形机器人的路径跟随控制问题，国内外的研究人员进行了很多的研究。挪威科技大学Pettersen等人创新性地提出陆地蛇形机器人的简化模型，在假设摩擦系数精确已知的条件下设计了一种应用视线导引律(LOS,Line-of-Sight)的直线路径跟随控制器(期刊：IEEE Transactions on Control Systems Technology；著者：IdarU.Haugstuen,Kristin Y.Pettersen,et al；出版年月：2012年1月；文章题目：PathFollowing Control of Planar Snake Robots Using a Cascaded Approach；页码：111-126)，但在实际的工程应用中准确测量摩擦系数的值是很难实现的；印度理工学院德里分校研究者Joyjit Mukherjee等人在摩擦系数未知的条件下基于滑模控制(SMC,SlidingMode Control)研究了平面蛇形机器人的速度控制和路径跟随控制问题(期刊：IEEERobotics and Automation Letters；著者：J.Mukherjee,S.Mukherjee,and I.N.Kar；出版年月：2017年1月；文章题目：Sliding Mode Control of Planar Snake Robot withUncertainty Using Virtual Holonomic Constraints；页码：1077-1084)，但是只有受摩擦系数影响产生的不确定动力学存在上界的情况下控制系统才能达到稳定状态；内华达大学申延涛等人设计了一种新颖的自适应控制器，可以用来估计未知和时变的摩擦力系数以实现精确的蛇形机器人路径跟随控制(期刊：IEEE Robotics and Automation Letters；著者：Gang Wang,Weixin Yang,Yantao Shen,et al；出版年月：2018年10月；文章题目：Adaptive Path Following of Underactuated Snake Robot on Unknown and VariedFrictions Ground:Theory and Validations；页码：4273-4280)，此控制方案没有考虑外部扰动的影响，而在实际运动环境中存在未知扰动的概率很大；中国科学院大学张安翻等人基于反馈控制技术研究鳗鱼机器人的曲线路径跟随控制问题，并利用仿真进行了验证(期刊：Robotics and Autonomous Systems；著者：AnFan Zhang,Shugen Ma,Bin Li,etal；出版年月：2018年6月；文章题目：Curved Path Following Control for Planar EelRobots；页码：129-139)，此控制技术采用的摩擦系数是已知的，也没有设计控制量补偿外部未知扰动的影响，使其很难真正应用到实际工程中。