[发明专利]一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法

摘要

本发明提供了一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，首先建立系统的运动学模型、动力学模型、驱动电机模型；然后设计运动学控制器，用于在运动学模型的基础上，根据给定的参考轨迹的状态调整系统的速度；动力学控制器，用于在动力学模型的基础上，根据所需调整系统的速度得出电机的期望力矩；驱动电机控制器，用于在驱动电机模型的基础上，为满足电机的期望力矩，设计出系统合适的驱动电压；最后采用反步法的鲁棒轨迹跟踪控制方法对四驱轮式移动机器人进行轨迹跟踪控制。本发明提供的方法实现了在复杂不确定环境下提高四驱轮式移动机器人控制系统的稳定性的目的，改善了含有不确定性因素条件下系统控制的有效性。

主权项

1.一种四驱轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，其特征在于：该方法由以下3个步骤组成：步骤1：建立系统的运动学模型、动力学模型、驱动电机模型；步骤2：设计运动学控制器，用于在运动学模型的基础上，根据给定的参考轨迹的状态调整系统的速度；动力学控制器，用于在动力学模型的基础上，根据所需调整系统的速度得出电机的期望力矩；驱动电机控制器，用于在驱动电机模型的基础上，为满足电机的期望力矩，设计出系统合适的驱动电压；步骤3：采用反步法的鲁棒轨迹跟踪控制方法对四驱轮式移动机器人进行轨迹跟踪控制，具体过程如下：步骤3.1：根据给定的参考轨迹，通过对系统模型的建立获取在相应坐标系下机器人位姿误差；步骤3.2：判定该位姿误差是否为零，若为零，则完成了相应的轨迹跟踪；反之，调整运动学模型输入的期望速度；步骤3.3：在满足运动学模型的期望速度的条件下，设置合适的力矩控制律；步骤3.4：对驱动电机的电压进行设定，获取适当的电压控制律，使系统获取的期望速度及力矩条件同时满足；步骤3.5：按照反步法的设计思想，形成一个反馈系统，使得在t→∞时，位姿误差为0，以实现实际的移动机器人对参考轨迹的跟踪；其中，t表示时间；所述运动学模型的建立方法如下：运动学模型为了描述系统速度与其位姿之间的关系；Pfaffian形式的非完整约束，如公式(1)：其中，θ是小车横轴与惯性坐标系的X轴之间的夹角，它可以表示机器人的位姿角，A(q)＝[sinθ‑cosθ 0]，是系统的位姿；则系统位姿在局部坐标系xoy和惯性坐标系XoY之间的相互转换如公式(2)：其中，为机器人在局部坐标系下的位姿，v_x为机器人速度在x轴上的分量，v_y为机器人速度在y轴上的分量，ω为机器人的角速度；在Pfaffian形式的非完整约束以及系统模型的基础上便可以推出系统的运动学模型，如公式(3)：其中，v是机器人车轮的线速度，ω为机器人的角速度；所述动力学模型的建立方法如下：轮式移动机器人的动力学模型，如公式(4)：其中，M(q)为正定对称的惯性矩阵；为与速度和位置相关的哥氏力矩阵；为摩擦力；G(q)为重力项；τ_d为包括非结构化未建模动态有界未知扰动向量；B(q)为输入变换矩阵；τ＝[τ_L τ_R]^T为转矩输入矢量，在某些情况下，与驱动电机的转矩相等；λ为约束力向量，是特殊的内部变量；通过对公式(3)求导，可得公式(5)如下：假设系统动力学模型的不确定性是有界的，且满足|τvd|≤ρv(τ)|τωd|≤ρω(τ)τvd为线速度的不确定参数，τωd为角速度的不确定参数，ρv(τ)、ρω(τ)均为有界常数值；在忽略重力与其他因素干扰的情况下，利用公式(4)与(5)可以得出轮式移动机器人的动力学模型公式(6)如下：其中，进而可以得出：其中，b为左右轮间距的一半，r为车轮半径，m为车体的质量，g为重力常数。