[发明专利]基于预瞄距离自适应的轮式机器人控制方法及控制系统

说明书

本发明公开了一种基于预瞄距离自适应的轮式机器人控制方法及系统。控制方法包括：设置期望路径，重复执行以下步骤使机器人沿期望路径行驶：S1，基于当前路径曲率和当前纵向速度从参考表中获取最优预瞄距离，获得与最优预瞄距离对应的预瞄点；S2，基于预瞄点进行横向控制和/或纵向控制；横向控制为：获取机器人转向轮基于预瞄点的目标转角，控制机器人的转向轮按照所述目标转角偏转；纵向控制为：获得机器人纵向总的期望加速度，根据机器人纵向总的期望加速度获得机器人各车轮的目标力矩，控制各车轮按照各自的目标力矩转动。可自适应地根据实时的路径曲率和纵向速度快速从参考表中获得最优的预瞄距离，进行纵横向运动协同控制。

技术领域

本发明涉及轮式机器人控制技术领域，特别是涉及一种基于预瞄距离自适应的轮式机器人控制方法及系统。

背景技术

轮式机器人作为机器人众多领域的一个重要分支，一直都是人类研究的热点。相比需要固定在某一位置的机器人，轮式机器人具有更强的灵活性，它可以方便地在人类难以到达的环境下作业，帮助人类探索未知的领域。例如，我国在2013年12月2日成功发射了嫦娥三号月球探测器，其中搭载的玉兔号也成为我国首辆月球探测车，为我国的航天事业做出了巨大贡献。此外，轮式机器人在物流行业、医疗领域、甚至军事领域都具备广泛应用潜力。

对于在各领域广泛应用的轮式机器人，对其进行准确的运动控制是完成各种任务的前提，其中主要包括横向控制和纵向控制两方面研究内容。横向控制主要研究机器人对给定路径的跟踪能力，纵向控制主要研究机器人如何准确跟踪以期望速度行驶，以路径跟踪精度、行驶安全性、机器人运动稳定性和控制器稳定性等作为主要性能指标。

从控制角度讲，轮式机器人运动控制器设计主要包含机器人动力学模型建立、跟踪偏差产生、控制量生成等几方面内容。目前应用较广的控制量生成方法主要包括经典控制方法(以PID算法为代表)、最优控制方法等。PID控制器具有设计简单，计算方便等优点，但其参数的获取往往倚重于试凑或经验估计，难以实现不同环境下的迁移应用。最优控制常常将机器人运动模型简化为线性定常系统，在设计时依赖精确的数学模型，因此当参数时变或存在外界扰动时，控制器稳定性和鲁棒性会受到影响。

此外，在机器人的纵横向控制中，预瞄距离的选取对跟踪精度、转向轻便性和机器人运动稳定性有较大影响。预瞄距离越短，跟踪精度越高，但是转向平稳性和稳定性则可能变差。因此，如何在轮式机器人运动过程中合理选择预瞄距离十分重要。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种基于预瞄距离自适应的轮式机器人控制方法及系统。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种基于预瞄距离自适应的轮式机器人控制方法，包括：为机器人设置期望路径，重复执行以下步骤使机器人沿所述期望路径行驶：步骤S1，获取当前路径曲率和当前纵向速度，基于当前路径曲率和当前纵向速度从参考表中获取最优预瞄距离，获得与所述最优预瞄距离对应的预瞄点，预瞄距离为预瞄点在机器人坐标系下的纵轴坐标，所述参考表中罗列了路径曲率和纵向速度的不同取值组合对应的最优预瞄距离；步骤S2，基于所述预瞄点进行横向控制和/或纵向控制；所述横向控制为：获取机器人转向轮基于所述预瞄点的目标转角，控制机器人的转向轮按照所述目标转角偏转；所述纵向控制为：根据机器人当前纵向速度、预瞄点坐标和预瞄点的期望纵向速度获得机器人纵向总的期望加速度，根据机器人纵向总的期望加速度获得机器人各车轮的目标力矩，控制各车轮按照各自的目标力矩转动。

上述技术方案：该控制方法在轮式机器人行驶过程中，可自适应地根据实时的路径曲率和纵向速度快速从参考表中获得最优的预瞄距离，利用最优的预瞄距离进行横向和/或纵向运动控制，提高了转向平稳性、跟踪精度、运动稳定性，实现了机器人纵横向运动协同控制。

在本发明一种优选实施方式中，所述机器人的转向轮为前轮。

上述技术方案：便于转向控制。