【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于農(nóng)產(chǎn)品加工，具體是指一種基于導(dǎo)納二階非線性自抗擾的機(jī)器人控制方法。
技術(shù)介紹
1、跟隨控制策略是保障移動機(jī)器人柔順及安全跟隨的必要條件，近年來，人機(jī)跟隨策略方面的研究主要集中于從前端的激光雷達(dá)、攝像頭、uwb等感知元件如何獲取精確的環(huán)境信息，對于后續(xù)的控制策略方面研究較少，而實(shí)現(xiàn)人機(jī)共融環(huán)境下的人機(jī)安全友好交互，則必須通過控制算法才能實(shí)現(xiàn)，因此研究人機(jī)跟隨控制策略具有重要意義。
2、現(xiàn)有跟蹤控制策略主要包括無抖震滑模控制、模糊邏輯控制、機(jī)器學(xué)習(xí)控制等方法。如現(xiàn)有技術(shù)中將無抖振滑模控制(smc)應(yīng)用于直線跟蹤機(jī)器人，用以控制機(jī)器人的線速度和角速度，實(shí)現(xiàn)了對復(fù)雜路徑的快速、穩(wěn)定、精確跟蹤。現(xiàn)有技術(shù)中提出了一種結(jié)合模糊邏輯和監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)(sml)的輪式移動機(jī)器人速度控制策略，通過控制器的模糊決策用以處理來自傳感器不精確的測量數(shù)據(jù)，從而達(dá)到精確的控制機(jī)器人速度的目的。采用光探測和測距(lidar)傳感器測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來估算與目標(biāo)行人的距離及速度，并設(shè)計(jì)純跟蹤控制器來控制引導(dǎo)車的線速度及角速度，提搞了系統(tǒng)的魯棒性。有人提出了一種考慮人類舒適感受的服務(wù)機(jī)器人跟隨方法，采用pid控制機(jī)器人的相對線速度及角速度實(shí)現(xiàn)了對人的舒適跟隨。還有人針對跟隨型移動無人車在復(fù)雜環(huán)境中的跟隨與避障控制問題，提出基于拓展社會力的車輛柔順跟隨避障策略。在考慮“人-機(jī)器人-障礙物”三者之間復(fù)雜的交互作用力后，利用阻抗控制重新設(shè)計(jì)了可以同時控制人-車交互力及位置偏差的跟隨控制器，在保證行人舒適性的同時也有效解決了機(jī)器人的跟隨問題，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)
3、然而，現(xiàn)有方法對外部擾動較為敏感，系統(tǒng)閉環(huán)反應(yīng)遲鈍易產(chǎn)生震蕩，其控制精度還有進(jìn)一步提升空間。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是現(xiàn)有方法在人機(jī)共融環(huán)境下運(yùn)動控制的柔順性以及精確性不夠良好，機(jī)器人對外界抗干擾能力差，機(jī)器人在室外非結(jié)構(gòu)化道路上運(yùn)動控制的精度低。
2、本專利技術(shù)采取的技術(shù)方案如下：一種基于導(dǎo)納二階非線性自抗擾的機(jī)器人控制方法，包括如下步驟：
3、一、首先進(jìn)行移動機(jī)器人系統(tǒng)建模，建模包括運(yùn)動學(xué)模型以及人機(jī)跟隨模型；
4、1)運(yùn)動學(xué)模型：為定量控制移動機(jī)器人的跟隨速度，構(gòu)架了移動機(jī)器人運(yùn)行學(xué)模型，其中xoy和xroryr分別為慣性坐標(biāo)系以及機(jī)器人坐標(biāo)系，v和ω分別代表機(jī)器人的線速度及角速度。or為慣性坐標(biāo)系下的機(jī)器人形心坐標(biāo)，同時也代表著機(jī)器人的實(shí)際位置。
5、假設(shè)四個驅(qū)動輪都以剛體形式運(yùn)動，且不考慮轉(zhuǎn)向時的縱向滑動，引入pfaffian形式的非完整約束即可得到四輪差速下的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程。
6、
7、由于該移動機(jī)器人底盤四個車輪都可獨(dú)立驅(qū)動，當(dāng)?shù)玫綑C(jī)器人總體線速度及角速度后需對其進(jìn)行速度分解，從而重新分配到四個驅(qū)動輪上。假設(shè)x軸上左側(cè)兩驅(qū)動輪速度和右側(cè)兩驅(qū)動輪速度相同，y軸上前側(cè)兩驅(qū)動輪與后側(cè)兩驅(qū)動輪一致，即可得左右車輪之間的關(guān)系。
8、
9、式中，vl和vr分別代表左右輪速，l為兩輪間的軸距。
10、2)人機(jī)跟隨模型：現(xiàn)有技術(shù)有人提出的人機(jī)空間學(xué)理論闡述了移動機(jī)器人在執(zhí)行跟隨任務(wù)過程中應(yīng)與人保持適當(dāng)?shù)陌踩嚯x以避免給人帶來不適感。根據(jù)此理論人機(jī)交互空間從里到外可細(xì)分為親密區(qū)域(0～0.46m)、私人區(qū)域(0.46～1.22m)、社交區(qū)域(1.22～3.66m)和公共區(qū)域(>3.66m)這四種。本專利技術(shù)法案的四輪差速移動機(jī)器人主要用于物資輸送領(lǐng)域且自身較重，為了滿足人機(jī)跟隨任務(wù)的安全性要求，跟隨機(jī)器人應(yīng)處于社交區(qū)域或者公共區(qū)域。
11、人機(jī)跟隨控制的本質(zhì)是移動機(jī)器人根據(jù)目標(biāo)行人給定的期望位置進(jìn)行實(shí)時位置及角度跟蹤。在慣性坐標(biāo)系xoy下定義目標(biāo)行人op的坐標(biāo)為[xp,yp,θp]t，其中人機(jī)安全距離pd如式3所示：
12、
13、由目標(biāo)行人位姿坐標(biāo)op及安全距離pd可得移動機(jī)器人期望位置xd坐標(biāo)為
14、
15、根據(jù)機(jī)器人期望位姿與機(jī)器人實(shí)際位姿可建立機(jī)器人跟隨任務(wù)過程中的跟隨位姿誤差模型xe為
16、
17、式中，xd為移動機(jī)器人期望位置，xe為移動機(jī)器人跟隨位姿誤差模型，pd為人機(jī)安全距離。
18、二、其次，進(jìn)行導(dǎo)納二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)；
19、導(dǎo)納控制通常用于在機(jī)器人與環(huán)境交互時保持柔性，二階非線性自抗擾通常用于需要處理較強(qiáng)非線性、時變和外部擾動的控制系統(tǒng)，本方案將兩種控制方法進(jìn)行結(jié)合，在提高移動機(jī)器人跟隨柔順度的同時，也提高了移動機(jī)器人抵御外界干擾的能力，從而提高人機(jī)跟隨系統(tǒng)的安全及跟隨精度，本方案整體控制模型為雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，首先通過人機(jī)空間學(xué)理論和ferrer交互力模型確定了人機(jī)之間安全距離和虛擬交互力的大小；其次將機(jī)器人位姿、目標(biāo)行人位姿、虛擬交互力輸入進(jìn)導(dǎo)納控制器，使跟隨系統(tǒng)具備運(yùn)動柔順性；然后導(dǎo)納控制器根據(jù)輸入的安全距離以及虛擬交互力為內(nèi)環(huán)二階非線性自抗擾控制器輸入期望跟隨距離；最后，采用二階非線性自抗擾控制器對位置偏差進(jìn)行控制，抑制非結(jié)構(gòu)化道路對人機(jī)距離的干擾，提高了移動機(jī)器人跟隨目標(biāo)行人時的控制精度；
20、1)外環(huán)導(dǎo)納控制器設(shè)計(jì)
21、導(dǎo)納控制器的設(shè)計(jì)是保障人機(jī)運(yùn)動具有柔順性的前提，根據(jù)建立的人機(jī)位姿誤差模型可建立期望導(dǎo)納數(shù)學(xué)模型：
22、
23、其中，i＝diag(i,i)為慣性矩陣，b＝diag(b,b)為阻尼矩陣，k＝diag(k,k)為彈性矩陣，且系數(shù)i、b、k均大于0，分別為人機(jī)位姿誤差模型的一階和二階狀態(tài)量；
24、人機(jī)之間的期望導(dǎo)納力用虛擬交互力模型進(jìn)行闡述[13]；
25、
26、式中α為虛擬交互力增強(qiáng)系數(shù)，n為階數(shù)，pd為人機(jī)之間的安全距離，至此可得導(dǎo)納控制器控制律為：
27、
28、由于微分迭代法容易引入噪聲干擾并且影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，在離散時域內(nèi)對式8采用積分迭代法可得：
29、
30、式中xe為位姿誤差模型，fr為人機(jī)之間的虛擬交互力，xs為外環(huán)導(dǎo)納控制器修正后的位姿，t為采樣時間，至此外環(huán)導(dǎo)納控制器設(shè)計(jì)完畢。
31、2)內(nèi)環(huán)二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)
32、內(nèi)環(huán)采用二階非線性自抗擾控制器對位置偏差進(jìn)行控制，抑制非結(jié)構(gòu)化道路對人機(jī)距離的干擾，提高了移動機(jī)器人跟隨目標(biāo)行人時的控制精度；
33、因此內(nèi)環(huán)期望控制誤差模型為：
34、
35、將期望控制誤差模型輸入進(jìn)跟蹤微分器td，其離散形式如式11所示其作用主要是解決控制系統(tǒng)響應(yīng)速度與超調(diào)之間的矛盾，能夠本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種基于導(dǎo)納二階非線性自抗擾的機(jī)器人控制方法，其特征在于：包括移動機(jī)器人系統(tǒng)建模和導(dǎo)納二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)，所述移動機(jī)器人系統(tǒng)建模包括運(yùn)動學(xué)模型和人機(jī)跟隨模型，所述導(dǎo)納二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)包括外環(huán)導(dǎo)納控制器設(shè)計(jì)和內(nèi)環(huán)二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1一種基于導(dǎo)納二階非線性自抗擾的機(jī)器人控制方法，其特征在于：內(nèi)環(huán)二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)包括以下步驟：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于導(dǎo)納二階非線性自抗擾的機(jī)器人控制方法，其特征在于：包括移動機(jī)器人系統(tǒng)建模和導(dǎo)納二階非線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)，所述移動機(jī)器人系統(tǒng)建模包括運(yùn)動學(xué)模型和人機(jī)跟隨模型，所述導(dǎo)納二階非線性自抗擾控制...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：余曉霞，張志剛，張緣，蘭家水，
申請(專利權(quán))人：重慶理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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