一种基于机器人位置和速度信息的姿态角观测方法技术

本发明专利技术设计一种利用移动机器人位置和速度信息观测姿态角的方法，解决测量移动机器人姿态角的问题。1)利用状态变换，将机器人运动学模型转换成一种特殊形式，消去模型方程中的三角函数；2)在新的状态方程下，基于机器人的位置和速度信息构造针对姿态角的观测器；3)对观测器动态方程进行累积求和运算，计算出机器人姿态角的观测值，解决机器人姿态角准确获取的问题。该方法可很好地估计出移动机器人的姿态角，无稳态误差，无漂移。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子信息、机器人控制
，涉及一种利用机器人的位置和速度信息估计机器人姿态角的方法。
技术介绍
轮式移动机器人是工程应用、控制理论研究的重要对象，是包含环境感知、动态规划、运动控制等技术的综合系统。对轮式移动机器人的研究是涉及模式识别，人工智能，自动控制等学科，体现出计算机技术和控制技术的结合，具有很广泛的应用价值。轮式移动机器人的控制可划分为点镇定、路径跟踪、轨迹跟踪这三类问题。解决轮式移动机器人的控制问题需要获取机器人的位置、速度和姿态角等信息，其中，位置和速度是很容易得到的，在实际应用中有各种各样的方案，而对于机器人的姿态角常采用惯性导航模块或航迹推算算法获得。惯性导航模块因存在随机误差、零点漂移等问题，常需要花费大量时间调节参数、抑制零漂，而航迹推算算法的重大缺陷在于存在累积误差，上述两种方法均不能保证长时间稳定获取机器人姿态角。
技术实现思路
为了解决上述准确获取轮式移动机器人姿态角的问题，本专利技术提出一种基于机器人位置和速度信息的姿态角观测算法，实现对机器人姿态角的准确估计。本专利技术包括以下内容：(1)以轮式移动机器人运动学模型为基础，进行状态变换，消去运动学模型中包含的三角函数；(2)以变换后的模型方程为基础，分别考虑机器人径向速度的正负情况，提出一种针对轮式移动机器人的姿态角的状态观测器。附图说明图1程序运行流程图图2姿态角估计误差的变化情况具体实施方式本专利技术以轮式移动机器人运动学模型为研究对象。(1)模型描述及状态变换。轮式移动机器人的一种运动学方程为x·=vcosθy·=vsinθθ·=ω---1>]]>其中(x,y)为机器人在惯性坐标系下的坐标，θ为姿态角，(v,ω)分别为机器人的线速度和角速度。进行状态变换为z1＝x,z2＝y,z3＝cosθ,z4＝sinθ<2>得到新状态的动态方程为z·1=vz3,z·2=vz4,z·3=-ωz4,z·4=ωz3---3>]]>由<3>可知，新状态的动态方程不显含三角函数。(2)状态观测器。结合式<3>可知，利用新状态动态方程的结构特点，考虑当机器人的线速度为非负的情况，得到针对(z3,z4)的观测器方程其中为观测器辅助变量，为(z3,z4)的估计值，L为可调节观测器增益，需满足L＞0。同时对称地当机器人的线速度为负的情况，得到针对(z3,z4)的观测器方程由<4><5>两式，得到机器人姿态角的估计值θ^=arctan2(z^4,z^3)∈(-π,π].]]>(3)实现过程。由<4><5>两式可知，在实际运用中需要对进行累积求和以得到设控制周期为dT。在第k个计算周期中，首先判断机器人的运动线速度的符号，然后在(A+,A-)算法中选择其一其中(vk,ωk)为第k个周期内机器人的平均线速度和角速度，为第k个周期中的值。因而得到在第k个周期中，姿态角的估计值为θ^k=arctan2(z^4k,z^3k)---8>]]>图1更为清晰的展示了本专利技术获取姿态角的过程，程序启动后，首先判断轮式移动机器人的线速度的正负，如果线速度为正，则在此次计算周期中采用A+算法，如果线速度为负，则采用A-算法；然后得到(z3,z4)在第k个计算周期内的估计值进一步计算出姿态角在第k个计算周期内的估计值为然后循环往复的输出姿态角估计值。图2中显示的是在跟踪圆形路径中，轮式移动机器人<1>跟踪圆形路径中姿态角估计误差的变化情况，因为在程序刚开始运行，即第k＝1个周期时，姿态角是未知的，姿态角估计算法相关变量初始化为零，即由图2可见，由估计算法计算出的机器人姿态角与真实角度之间的误差指数收敛到零，也就是说，本算法需要数秒的时间进行自动调节，而逐渐输出准确的轮式移动机器人的姿态角信息。本专利技术利用轮式移动机器人运动学模型的结构特点，首先进行状态变换，消去模型方程中的三角函数，然后根据新状态的动态方程，在移动机器人轮速分别为正和负时，提出轮式移动机器人的姿态角观测算法。解决了采用惯性导航模块、航迹推算算法中无法长时间准确测量轮式移动机器人姿态角的问题，有助于轮式移动机器人的研究和控制理论的发展。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于移动机器人姿态角的估计算法，其特征在于将移动机器人的运动学方程进行坐标变换，利用新方程的结构特点，提出一种仅利用机器人位置和速度信息估计移动机器人姿态角的算法，解决机器人的姿态角的获取问题。

【技术特征摘要】
1.一种用于移动机器人姿态角的估计算法，其特征在于将移动机器人的运动学方程进行坐标变换，利
用新方程的结构特点，提出一种仅利用机器人位置和速度信息估计移动机器人姿态角的算法，解决机器人
的姿态角的获取问题。
2.根据权利1所述的移动机器人姿态角估计算法，其特征在于进行坐标变换后的方程消去了轮式移动
机器人运动学方程中的三角函数
z1=x,z2=yz3=cosθ,z4=sinθ&RightArro...

【专利技术属性】
技术研发人员：马保离，鄢立夏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11