[发明专利]一种液压转向阿克曼型机器人的自动回充控制方法

说明书

本发明公开了一种液压转向阿克曼型机器人的自动回充控制方法，包括步骤：(1)分别构建液压转向和电机驱动的输入输出动态模型，并据此构建机器人系统动态预测模型；(2)根据回充任务要求计算得到期望机器人系统状态，并结合步骤(1)构建模型预测控制的目标函数，并依据阿克曼底盘性能建立约束；(3)在当前时刻求解步骤(2)的目标函数得到下一时刻的控制量，并据此控制机器人；(4)重复步骤(3)，直至完成机器人的自动回充控制。本发明在建立系统动态数学模型的时候，包含了两种系统的特性，因此本方法求解得到的控制序列具有可行性，从而保障控制器的稳定性。

技术领域

本发明涉及移动机器人控制领域，具体涉及一种基于模型预测的液压转向阿克曼型机器人的自动回充控制方法。

背景技术

由于在工程机械领域，大负载的工程机械车辆标准产品常见有履带式以及阿克曼式两种。其中阿克曼型的底盘和汽车类似，都是前轮转向后轮驱动。通常采用四连杆的转向结构，其前轮的转向通常由液压助力控制系统提供。工人在操作的过程中，根据后轮速度的响应情况，实时调整前轮转向，从而控制车辆到达指定地点。

近年来，机器人与自动驾驶领域兴起，在工程机械领域，车辆被改造为移动机器人，用于建筑、消防、运输等各个领域。其中，履带式机器人通常由电机驱动，其运动学与动力学模型相对简单，执行机构电机控制性能较好，控制方法较为成熟。通常上层的路径规划可以使用成熟的差速类底盘的规划方法，底层的跟踪控制一般采用PID控制器进行速度跟踪控制。

然而，液压转向的阿克曼底盘的转向系统由液压系统提供，一般受限于成本，厂商大多采用开关阀通过PWM来模拟比例阀对于液压系统的位置进行直接控制。由于没有在液压缸内设置压力传感器，因此整个控制系统的控制带宽较低，系统的滞后较大，往往需要等待压力建立之后再进行位置调节。此时开关阀通过PWM来控制进一步加剧了位置跟踪性能的滞后。在执行机构为电机的时候，上层的规划控制往往只需考虑简单的运动学约束，忽略动力学系统的滞后。但是对于液压转向的阿克曼底盘来说，系统同时存在两种执行机构，分别是液压转向系统与后轮电机驱动系统，二者的动力学特性截然不同，传统的规划与控制方法难以取得良好的控制效果。

自动回充过程中，由于充电桩的位置和姿态由感知系统实时给出，需要控制系统根据感知获得的信息实时调整车辆的控制命令，如果忽略动力学特性，转向系统和速度控制系统不能相互配合，则最终的到位位置与姿态均难以保证。

发明内容

发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种基于模型预测的液压转向阿克曼型机器人的自动回充控制方法，基于模型预测控制的方法，通盘考虑两种驱动系统的特点，通过实验数据构造两个一阶系统来分别描述两种驱动系统的特性，并在此基础上建立系统描述模型方程。

技术方案：

一种液压转向阿克曼型机器人的自动回充控制方法，包括步骤：

(1)分别构建液压转向和电机驱动的输入输出动态模型，并据此构建机器人系统动态预测模型；

(2)根据回充任务要求计算得到期望机器人系统状态，并结合步骤(1)构建模型预测控制的目标函数，并依据阿克曼底盘性能建立约束；

(3)在当前时刻求解步骤(2)的目标函数得到下一时刻的控制量，并据此控制机器人；

(4)重复步骤(3)，直至完成机器人的自动回充控制。

所述步骤(1)中分别构建液压转向和电机驱动的输入输出动态模型具体如下：

(11)一阶系统在复频域下的传递函数φ(s)由下列函数描述：

其中，s为复频域里的变量表示，k为比例系数，τ为一阶系统的时间常数，y(s)是表示的输出信号，x(s)表示系统的输入信号；

则转为时域得到：