服务机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法技术

本发明专利技术公开了一种服务机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法。其特征为：利用坐垫机器人的运动学方程并加入质心偏移干扰量，通过坐标变换得到位姿误差方程，建立坐垫机器人的轨迹跟踪误差系统；提出了一种指定暂态运动时间的稳定控制方法，使运动位姿和运动速度在指定时间同时实现稳定跟踪；进一步，提出了暂态运动时间的自主学习方法，有效优化了机器人的暂态运动时间，提高了系统的暂态运动性能和跟踪精度；基于STM32G4系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，使机器人可帮助使用者跟踪指定的运动轨迹。帮助使用者跟踪指定的运动轨迹。帮助使用者跟踪指定的运动轨迹。

【技术实现步骤摘要】
服务机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法

：
[0001]本专利技术涉及坐垫服务机器人的控制领域，尤其是关于具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法。

技术介绍
：
[0002]交通事故及人口老龄化使步行障碍患者逐年增加，随着坐垫机器人在家庭、养老院等场所的应用，有效解决了护理人员短缺的问题。然而，在实际应用中，较长时间的暂态运动过程，机器人不断调整运动位姿，不仅影响跟踪精度，而且产生的过大轨迹误差会使机器人发生碰撞危险。因此，研究坐垫服务机器人指定暂态时间的稳定控制方法以及指定暂态运动时间的自主学习方法，对提高坐垫机器人的跟踪性和安全性具有重要意义。
[0003]近些年，坐垫机器人跟踪控制已有很多研究成果，然而都没有考虑指定暂态时间的稳定控制以及指定暂态时间的自主学习问题。实际上，如果暂态时间指定的不准确，将无法使暂态运动的跟踪性能达到最优，影响机器人的跟踪精度和安全性。到目前为止，还没有关于坐垫机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法，本专利技术提出的指定暂态时间自主学习的稳定控制方法，对提高人机系统性能具有重要意义。

技术实现思路
：
[0004]专利技术目的：
[0005]为了解决上述问题，提出了一种坐垫服务机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法，目的是提高机器人的跟踪精度，保障使用者的安全。
[0006]技术方案：
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0008]一种坐垫服务机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法，其特征在于：
[0009]1)利用坐垫机器人的运动学方程并加入质心偏移干扰量，通过坐标变换得到位姿误差方程，建立坐垫机器人的轨迹跟踪误差系统；
[0010]2)提出了一种指定暂态运动时间的稳定控制方法，使运动位姿和运动速度在指定时间同时实现稳定跟踪；
[0011]3)提出了暂态运动时间的自主学习方法，有效优化了机器人的暂态运动时间，提高了系统的暂态运动性能和跟踪精度。
[0012]步骤如下：
[0013]步骤1)利用坐垫机器人的运动学方程并加入质心偏移干扰量，通过坐标变换得到位姿误差方程，建立坐垫机器人的轨迹跟踪误差系统，其特征在于：系统的运动学方程描述如下
[0014][0015]其中d表示机器人的质心与几何中心的距离；θ表示机器人运动速度与X轴之间的夹角；p＝(x y θ)
T
表示实际位姿，q＝(v ω)
T
表示实际速度。
[0016]设p
r
＝(x
r y
r θ
r
)
T
表示参考位姿，q
r
＝(v ω)
T
表示参考速度，p
e
＝(x
e y
e θ
e
)
T
表示位姿误差。
[0017]根据坐标变换，坐垫机器人位姿误差方程为：
[0018][0019]对方程(2)求导，并把(1)代入，得到坐垫机器人轨迹跟踪误差系统：
[0020][0021][0022][0023]步骤2)提出了一种指定暂态运动时间的稳定控制方法，使运动位姿和运动速度在指定时间同时实现稳定跟踪，其特征在于：根据轨迹跟踪误差系统，设计速度和角速度控制器分别为
[0024][0025][0026]其中速度控制器中的变量χ1＝v
r cosθ
e
‑
dω
r sinθ
e
，且α2≥1,α3≥1为控制器调节参数。t
f
表示指定暂态运动时间；t0表示初始时刻。
[0027]将角速度控制器代入式(5)可得：
[0028][0029]设计Lyapunov函数：
[0030]V1(θ
e
)＝θ
e2
ꢀꢀ
(9)
[0031]则有
[0032][0033]对式(9)求导得：
[0034][0035]令有
[0036][0037]对式(12)积分，得：
[0038][0039]其中α1≥1，常数
[0040]由式(13)可知，当t＝t
f
时，由可得，由此可得，V2＝0,因此在指定暂态时间t
f
，角度跟踪误差θ
e
达到零。
[0041]接下来，将x
e
视为式(4)的输入，设计x
e
使y
e
在指定暂态时间稳定。令
[0042][0043]设计Lyapunov函数：
[0044]V2(y
e
)＝y
e2
ꢀꢀ
(15)
[0045]则有
[0046][0047]将式(14)代入式(4)得：
[0048][0049]对式(15)求导得:
[0050][0051]令有
[0052][0053]对式(19)积分，得：
[0054][0055]其中
[0056]由式(20)可知，当t＝t
f
时，η≤0，由可得，η＝0。由此可得，V2＝0,因此在指定暂态时间t
f
,y轴跟踪误差y
e
达到零。
[0057]进一步，令v＝v1‑
v2，其中v1＝y
e
ω+v
r cosθ
e
‑
dω
r sinθ
e
，代入式(3)得：
[0058][0059]设变量
[0060][0061]代入式(3)
‑
(4)得到误差系统如下：
[0062][0063][0064]记由式(6)和v1得：
[0065][0066]设计Lyapunov函数：
[0067]V3(x
e
,y
e
)＝V2(y
e
)+z2ꢀꢀ
(26)
[0068]由式(26)得：对式(26)求导得：
[0069][0070]并将式(25)代入得：
[0071][0072]取β＝α2+α3，得：
[0073][0074]对式(29)积分，得：
[0075]ζ≤ln(C3(t
f
‑
t)
β
+1)
ꢀꢀ
(30)
[0076]其中
[0077]由式(30)可知，当t＝t
f
时，ζ≤0，由式知，ζ＝0。由此可得，V3＝0,因此在指定暂态时间t
f
,x轴跟踪误差x
e
达到零。
[0078]进一步，当t≥t
f
时，由式(7)、式(5)可知，ω＝ω
r
，再由式(14)可知，x
e
＝0，进而再本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.服务机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)利用坐垫机器人的运动学方程并加入质心偏移干扰量，通过坐标变换得到位姿误差方程，建立坐垫机器人的轨迹跟踪误差系统；2)指定暂态运动时间，使运动位姿和运动速度在指定时间同时实现稳定跟踪。系统的运动学方程描述如下其中d表示机器人的质心与几何中心的距离；θ表示机器人运动速度与X轴之间的夹角；p＝(x y θ)
T
表示实际位姿，q＝(v ω)
T
表示实际速度；设p
r
＝(x
r y
r θ
r
)
T
表示参考位姿，q
r
＝(v ω)
T
表示参考速度，p
e
＝(x
e y
e θ
e
)
T
表示位姿误差；根据坐标变换，坐垫机器人位姿误差方程为：对方程(2)求导，并把(1)代入，得到坐垫机器人轨迹跟踪误差系统：对方程(2)求导，并把(1)代入，得到坐垫机器人轨迹跟踪误差系统：对方程(2)求导，并把(1)代入，得到坐垫机器人轨迹跟踪误差系统：2.根据权利要求1所述服务机器人具有自主学习暂态运动时间的稳定控制方法，其特征在于根据轨迹跟踪误差系统，设计速度和角速度控制器分别为征在于根据轨迹跟踪误差系统，设计速度和角速度控制器分别为其中速度控制器中的变量χ1＝v
r cosθ
e
‑
dω
r sinθ
e
，且α2≥1,α3≥1为控制器调节参数；t
f
表示指定暂态运动时间；t0表示初始时刻；
将角速度控制器代入式(5)可得：设计Lyapunov函数：V1(θ
e
)＝θ
e2 (9)则有对式(9)求导得：令有对式(12)积分，得：其中α1≥1，常数由式(13)可知，当t＝t
f
时，由可得，由此可得，V2＝0,因此在指定暂态时间t
f
，角度跟踪误差θ
e
达到零；接下来，将xe视为式(4)的输入，设计x
e
使y
e
在指定暂态时间稳定；令设计Lyapunov函数：V2(y
e
)＝y
e2
(15)则有将式(14)代入式(4)得：
对式(15)求导得:令有对式(19)积分，得：其中由式(20)可知，当t＝t
f
时，η≤0，由可得，η＝0；由此可得，V2＝0,因此在指定暂态时间t
f
,y轴跟踪误差y
e
达到零；进一步，令v＝v1‑
v2，其中v1＝y
e
ω+v
r
cosθ
e
‑
dω
r
sinθ
e
，代入式(3)得：设变量代入式(3)
‑
(4)得到误差系统如下：(4)得到误差系统如下：记由式(6)和v1得：设计Lyapunov函数：V3(x
e
,y
e
)＝V2(y
e
)+z2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(26)由式(26)得：V3≥z2,对式(26)求导得：并将式(25)代入得：
取β＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙平，郭永吉，李树江，王硕玉，常洪彬，唐非，谢静，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：