一种轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法技术

本发明专利技术公开了一种轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，包括：构建轮式移动机器人分层路径跟踪控制器，其包括多个能够在轮式移动机器人行驶速度恒定时正常运行的路径跟踪控制器，且多个路径跟踪控制器的参考行驶速度各不相同；基于轮式移动机器人动力学模型，构建速度调节控制器，并将其引入轮式移动机器人分层路径跟踪控制器；通过速度调节控制器确定轮式移动机器人的实际控制输入，从而实现轮式移动机器人分层路径跟踪控制。本发明专利技术的方案可以解决现有的路径跟踪控制方法仅能实现有级调速，在参考路径存在不同半径的弯道时，无法进一步提高轮式移动机器人的平均行驶速度的问题。的问题。的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法


[0001]本专利技术涉及机器人自主行驶控制
，特别涉及一种轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法。

技术介绍

[0002]轮式移动机器人是一种常用于物流、仓储等行业的运输设备，其自主运行的关键技术中包括路径跟踪控制，其功能是控制机器人沿着给定参考路径行驶，控制目标是使机器人与参考路径之间的横向偏差和航向偏差达到最小。
[0003]目前常见的轮式移动机器人路径跟踪控制方法无法避免轮式移动机器人在高速转向时发生侧滑，因此一般在轮式移动机器人行驶速度较低的情况下运行。目前还存在一种采用模糊控制实现速度调节的轮式移动机器人路径跟踪控制方法(Bai G,Meng Y,Liu L,et al.Anti
‑
sideslip path tracking of wheeled mobile robots based on fuzzy model predictive control[J].Electronics Letters,2020,56(10):490
‑
493.)，该方法的技术特征包括：采用模糊控制作为速度调节器，采用基于运动学预测模型的路径跟踪控制器实现在不同速度下的路径跟踪控制。这种控制方法的局限在于模糊控制仅能实现有级调速，在参考路径存在不同半径的弯道时，该方法无法进一步提高轮式移动机器人的平均行驶速度。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，以解决现有的路径跟踪控制方法仅能实现有级调速，在参考路径存在不同半径的弯道时，无法进一步提高轮式移动机器人的平均行驶速度的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了如下技术方案：
[0006]一方面，本专利技术提供了一种轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，该轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法包括：
[0007]构建轮式移动机器人分层路径跟踪控制器；其中，所述轮式移动机器人分层路径跟踪控制器包括多个能够在轮式移动机器人行驶速度恒定时正常运行的路径跟踪控制器，且所述多个路径跟踪控制器的参考行驶速度各不相同；
[0008]构建轮式移动机器人动力学模型；
[0009]基于所述轮式移动机器人动力学模型，构建速度调节控制器，并将所构建的速度调节控制器引入所述轮式移动机器人分层路径跟踪控制器；
[0010]通过所述速度调节控制器，基于各路径跟踪控制器输出的控制量，确定轮式移动机器人的实际控制输入，以实现轮式移动机器人分层路径跟踪控制。
[0011]进一步地，所述轮式移动机器人分层路径跟踪控制器包括第一路径跟踪控制器、第二路径跟踪控制器以及第三路径跟踪控制器。
[0012]进一步地，所述第一路径跟踪控制器的参考行驶速度设定为低于当前行驶速度，
且第一路径跟踪控制器的参考行驶速度与当前行驶速度之间的差值绝对值不大于紧急制动时轮式移动机器人在一个控制周期内可降低的速度的最大值；
[0013]所述第二路径跟踪控制器的参考行驶速度设定为等于当前行驶速度；
[0014]所述第三路径跟踪控制器的参考行驶速度设定为高于当前行驶速度，且所述第三路径跟踪控制器的参考行驶速度与当前行驶速度之间的差值绝对值不大于轮式移动机器人在一个控制周期内可以提高的速度的最大值。
[0015]进一步地，所述第一路径跟踪控制器、所述第二路径跟踪控制器以及所述第三路径跟踪控制器均为基于运动学模型的非线性模型预测控制器。
[0016]进一步地，所述轮式移动机器人为两轮差动轮式移动机器人；
[0017]所述构建轮式移动机器人动力学模型，包括：
[0018]以机器人驱动轮所在轴线的中点为原点，驱动轮所在轴线为y轴，机器人左侧为y轴正方向，以机器人前后向中轴线为x轴，机器人前方为x轴正方向，建立固结于两轮差动轮式移动机器人的坐标系；
[0019]假设两轮差动轮式移动机器人装载货物后的整体质心在所述坐标系中的x坐标为l
x
，y坐标为l
y
，建立如下数学模型：
[0020][0021]其中，v
x
为质心处的纵向速度，v
y
为质心处的横向速度，ω为质心处的横摆角速度，F
yl
为左侧驱动轮的横向力，F
yr
为右侧驱动轮的横向力，m为移动机器人质量，l
w
为移动机器人宽度，I
z
为移动机器人绕垂直方向的转动惯量，F
xl
为左侧驱动轮的驱动力，F
xr
为右侧驱动轮的驱动力；分别表示v
y
、ω的微分变量，即横向加速度、横摆角加速度；
[0022]根据刚体运动学，得到左侧驱动轮的纵向速度v
xl
为：
[0023]v
xl
＝v
x
‑
ω(l
w
/2
‑
l
y
)
[0024]左侧驱动轮的横向速度v
yl
为：
[0025]v
yl
＝v
y
‑
ωl
x
[0026]右侧驱动轮的纵向速度v
xr
为：
[0027]v
xr
＝v
x
+ω(l
w
/2+l
y
)
[0028]右侧驱动轮的横向速度v
yr
为：
[0029]v
yr
＝v
y
‑
ωl
x
[0030]将机器人驱动轮所在轴线的中点在大地坐标系下的运动学状态表示为：
[0031][0032]其中，X为横坐标，Y为纵坐标，θ为航向角；分别表示X、Y、θ的微分变量；
[0033]根据侧偏角计算公式，得到左右侧驱动力的侧偏角α
l
和α
r
：
[0034][0035]根据关于横向力的魔术公式f
MF
()可知，左右侧横向力为：
[0036][0037]联立上述所有公式，建立以左右侧驱动轮的驱动力为输入的两轮差动轮式移动机器人动力学模型，并将其抽象为：
[0038][0039]其中：
[0040][0041]其中，为x的微分变量，f(x,u)为x和u的函数。
[0042]进一步地，基于轮式移动机器人动力学模型，构建速度调节控制器，包括：
[0043]基于欧拉法离散化所述动力学模型，并写为非线性迭代的形式：
[0044]x(1|t)＝x(0|t)+Tf(x(0|t),u(1|t))
[0045][0046]x(i|t)＝x(i
‑
1|t)+Tf(x(i
‑
1|t),u(i|t))
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，其特征在于，包括：构建轮式移动机器人分层路径跟踪控制器；其中，所述轮式移动机器人分层路径跟踪控制器包括多个能够在轮式移动机器人行驶速度恒定时正常运行的路径跟踪控制器，且所述多个路径跟踪控制器的参考行驶速度各不相同；构建轮式移动机器人动力学模型；基于所述轮式移动机器人动力学模型，构建速度调节控制器，并将所构建的速度调节控制器引入所述轮式移动机器人分层路径跟踪控制器；通过所述速度调节控制器，基于各路径跟踪控制器输出的控制量，确定轮式移动机器人的实际控制输入，以实现轮式移动机器人分层路径跟踪控制。2.如权利要求1所述的轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，其特征在于，所述轮式移动机器人分层路径跟踪控制器包括第一路径跟踪控制器、第二路径跟踪控制器以及第三路径跟踪控制器。3.如权利要求2所述的轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，其特征在于，所述第一路径跟踪控制器的参考行驶速度设定为低于当前行驶速度，且所述第一路径跟踪控制器的参考行驶速度与当前行驶速度之间的差值绝对值不大于紧急制动时轮式移动机器人在一个控制周期内可降低的速度的最大值；所述第二路径跟踪控制器的参考行驶速度设定为等于当前行驶速度；所述第三路径跟踪控制器的参考行驶速度设定为高于当前行驶速度，且所述第三路径跟踪控制器的参考行驶速度与当前行驶速度之间的差值绝对值不大于轮式移动机器人在一个控制周期内可以提高的速度的最大值。4.如权利要求3所述的轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，其特征在于，所述第一路径跟踪控制器、所述第二路径跟踪控制器以及所述第三路径跟踪控制器均为基于运动学模型的非线性模型预测控制器。5.如权利要求4所述的轮式移动机器人分层路径跟踪控制实现方法，其特征在于，所述轮式移动机器人为两轮差动轮式移动机器人；所述构建轮式移动机器人动力学模型，包括：以机器人驱动轮所在轴线的中点为原点，驱动轮所在轴线为y轴，机器人左侧为y轴正方向，以机器人前后向中轴线为x轴，机器人前方为x轴正方向，建立固结于两轮差动轮式移动机器人的坐标系；假设两轮差动轮式移动机器人装载货物后的整体质心在所述坐标系中的x坐标为l
x
，y坐标为l
y
，建立如下数学模型：其中，v
x
为质心处的纵向速度，v
y
为质心处的横向速度，ω为质心处的横摆角速度，F
yl
为左侧驱动轮的横向力，F
yr
为右侧驱动轮的横向力，m为移动机器人质量，l
w
为移动机器人宽度，I
z
为移动机器人绕垂直方向的转动惯量，F
xl
为左侧驱动轮的驱动力，F
xr
为右侧驱动轮的驱动力；分别表示v
y
、ω的微分变量，即横向加速度、横摆角加速度；根据刚体运动
学，得到左侧驱动轮的纵向速度v
xl
为：v
xl
＝v
x
‑
ω(l
w
/2
‑
l
y
)左侧驱动轮的横向速度v
yl
为：v
yl
＝v
y
‑
ωl
x
右侧驱动轮的纵向速度v
xr
为：v
xr
＝v
x
+ω(l
w
/2+l
y
)右侧驱动轮的横向速度v
yr
为：v
yr
＝v
y
‑
ωl
x
将机器人驱动轮所在轴线的中点在大地坐标系下的运动学状态表示为：其中，X为横坐标，Y为纵坐标，θ为航向角；分别表示X、Y、θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：白国星，孟宇，刘立，周碧宁，郑淏清，董国新，
申请(专利权)人：北京科技大学顺德研究生院，
类型：发明
国别省市：