一种在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法技术

本发明专利技术公开了一种在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法，包括以下步骤：S1、依据隧道管沟机器人的差分驱动方式，构建出隧道管沟机器人的理想数学模型；S2、将外界环境的干扰沿X1和Y1解耦成为纵向的扰动v

【技术实现步骤摘要】
一种在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法


[0001]本专利技术属于移动机器人控制
，特别涉及一种在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法。

技术介绍

[0002]隧道管沟机器人是一种特殊的轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot，WMR)。隧道管沟机器人是一种差分驱动的移动机器人，是一种经典的多输入多输出系统，具有强耦合以及容易受到外界环境干扰的系统参数时变的自动控制系统。精准的控制是机器人完成复杂任务的基础，由于机器人的Brockett约束条件的存在，机器人无法获得连续可微，线性时不变的控制系统，机器人的控制问题一直是近些年来的热门问题。
[0003]近些年来，针对移动机器人的运动控制问题，取得了一定的成果，目前比较成熟的一些控制方法有：反步法控制；模糊控制；PID控制；自适应控制；神经网络控制等。自适应对于环境内外变化的因素下有不错的响应，对于结构不确定有很不错的性能，对于非结构性的问题束手无策。模糊控制一直以来都是以经验公式对参数进行改变，对于不确定性的系统无法给出有效的建议。尽管上述的方法在一定程度上都提高了移动机器人的控制性能，但是在实际的情况当中，存在着环境的干扰，例如淤泥、积水和沉积物等。以上的单一控制器，针对复杂情况干扰的条件下，存在着性能不足的缺点。
[0004]对于上述问题，一些相关的研究人员提出了观测器的思想，利用观测器观测出扰动值，提前对扰动进行抑制，设计出基于扰动观测器的控制器。这种基于观测器的控制器，在一定程度上抑制了环境的干扰，但是控制器不具有很强的鲁棒性，对于系统比较复杂的情况下的运动控制性能造成一定的影响。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够提高隧道管沟机器人在复杂环境干扰下的抗干扰性，并将观测到的扰动进行抑制，提高了整个闭环系统的鲁棒性与稳定性的在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法，包括以下步骤：
[0007]S1、依据隧道管沟机器人的差分驱动方式，构建出隧道管沟机器人的理想数学模型；具体方法为：隧道管沟机器人左右两边各有一个电机，电机通过齿轮齿条连接两个轮胎，两个车轮速度相等；
[0008]以隧道管沟机器人的几何中心为移动坐标系[X1,Y1,O1]的原点O1，隧道管沟机器人前进方向作为隧道管沟机器人的横向轴X1，与隧道管沟机器人前进方向垂直的方向作为隧道管沟机器人的纵向轴Y1；θ为隧道管沟机器人的移动坐标系与世界坐标系[X,Y,O]的X轴的夹角；隧道管沟机器人的左右两轮的半径为R，左右两轮的几何中心相距为2D；隧道管沟机器人的整体速度为V，角速度记为W；隧道管沟机器人的左轮速度记为v
l
，右轮速度记为
v
r
；
[0009]隧道管沟机器人的整体速度以及角速度与左右两轮速度关系式为：
[0010][0011]建立如下的理论运动学方程：
[0012][0013]式中的代表隧道管沟机器人的实际位姿；
[0014]S2、在引入外界环境的干扰情况下，将外界环境的干扰沿X1和Y1解耦成为纵向的扰动v
er
、v
el
以及横向的扰动v
h
；
[0015]隧道管沟机器人的整体速度以及角速度变为如下方程：
[0016][0017]原有的隧道管沟机器人运动学模型变为如下方程：
[0018][0019]S3、建立外环的滑模变结构控制器，推出理想的速度与角速度控制律；
[0020]S4、构建扩张状态观测器，观测管沟机器人横向与纵向扰动；
[0021]S5、建立内环的滑模变结构控制器，修正外环的速度与角度控制规律。
[0022]本专利技术的有益效果是：考虑隧道管沟机器人在实际的工作环境中，受到复杂环境的干扰影响隧道管沟机器人的运动控制性能，本专利技术提出了一种复杂环境干扰下的扩张状态观测器的内外环滑模变结构控制方法。隧道管沟机器人是一种差分驱动的轮式移动机器人，考虑复杂环境干扰，将复杂环境干扰解耦成为X方向干扰与Y方向干扰，建立出复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动学模型。其次建立出外环的滑模变结构控制器，推出理想的速度与角速度控制律。依据隧道管沟机器人的运动学模型，设计出内环的扩张状态观测器(ESO)，利用观测到的扰动，建立出内环的滑模变结构控制器，内环的滑模控制器修正外环的速度与角速度控制律。本专利技术所提出的运动控制方法，提高了隧道管沟机器人在复杂环境干扰下的抗干扰性，将观测到的扰动进行抑制，提高了整个闭环系统的鲁棒性与稳定性。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的隧道管沟机器人运动控制方法的流程图；
[0024]图2为本专利技术的隧道管沟机器人数学模型图；
[0025]图3为利用本专利技术的控制方法构建的控制系统的框图；
[0026]图4为常值干扰下隧道管沟机器人状态；
[0027]图5为常值干扰下隧道管沟机器人位置；
[0028]图6为非常值干扰下隧道管沟机器人状态；
[0029]图7为非常值干扰下隧道管沟机器人位置。
具体实施方式
[0030]下面结合附图进一步说明本专利技术的技术方案。
[0031]如图1所示，本专利技术的一种在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法，包括以下步骤：
[0032]S1、依据隧道管沟机器人的差分驱动方式，构建出隧道管沟机器人的理想数学模型；具体方法为：隧道管沟机器人左右两边各有一个电机，电机通过齿轮齿条连接两个轮胎，两个车轮速度相等；
[0033]如图2所示，以隧道管沟机器人的几何中心为移动坐标系[X1,Y1,O1]的原点O1，隧道管沟机器人前进方向作为隧道管沟机器人的横向轴X1，与隧道管沟机器人前进方向垂直的方向作为隧道管沟机器人的纵向轴Y1；θ为隧道管沟机器人的移动坐标系与世界坐标系[X,Y,O]的X轴的夹角；隧道管沟机器人的左右两轮的半径为R，左右两轮的几何中心相距为2D；隧道管沟机器人的整体速度为V，角速度记为W；隧道管沟机器人的左轮速度记为v
l
，右轮速度记为v
r
；隧道管沟机器人的建模的目的是为了推导出隧道管沟机器人在全局世界坐标系的位置关系，以及对应的车轮速度在世界坐标系中的关系。
[0034]隧道管沟机器人的整体速度以及角速度与左右两轮速度关系式为：
[0035][0036]建立如下的理论运动学方程：
[0037][0038]式中的
[0039]代表隧道管沟机器人的实际位姿；
[0040]S2、在引入外界环境的干扰情况下，将外界环境的干扰沿X1和Y1解耦成为纵向的扰动v
er
、v
el
以及横向的扰动v
h
(移动机器人的横向和纵向是固定说法，纵向代表的就是左右轮胎所指本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、依据隧道管沟机器人的差分驱动方式，构建出隧道管沟机器人的理想数学模型；具体方法为：隧道管沟机器人左右两边各有一个电机，电机通过齿轮齿条连接两个轮胎，两个车轮速度相等；以隧道管沟机器人的几何中心为移动坐标系[X1,Y1,O1]的原点O1，隧道管沟机器人前进方向作为隧道管沟机器人的横向轴X1，与隧道管沟机器人前进方向垂直的方向作为隧道管沟机器人的纵向轴Y1；θ为隧道管沟机器人的移动坐标系与世界坐标系[X,Y,O]的X轴的夹角；隧道管沟机器人的左右两轮的半径为R，左右两轮的几何中心相距为2D；隧道管沟机器人的整体速度为V，角速度记为W；隧道管沟机器人的左轮速度记为v
l
，右轮速度记为v
r
；隧道管沟机器人的整体速度以及角速度与左右两轮速度关系式为：建立如下的理论运动学方程：式中的代表隧道管沟机器人的实际位姿；S2、在引入外界环境的干扰情况下，将外界环境的干扰沿X1和Y1解耦成为纵向的扰动v
er
、v
el
以及横向的扰动v
h
；隧道管沟机器人的整体速度以及角速度变为如下方程：原有的隧道管沟机器人运动学模型变为如下方程：S3、建立外环的滑模变结构控制器，推出理想的速度与角速度控制律；S4、构建扩张状态观测器，观测管沟机器人横向与纵向扰动；S5、建立内环的滑模变结构控制器，修正外环的速度与角度控制规律。2.根据权利要求1所述的在复杂环境干扰下的隧道管沟机器人运动控制方法，其特征
在于，所述步骤S3具体实现方法为：定义理想的位置为[x
d
,y
d
]，定义误差方程：x
e
＝x
‑
x
d
，y
e
＝y
‑
y
d
；选定滑模面s1＝x
e
,s2＝y
e
，得到以下的控制器方程：k1、k2是涉及的滑模的控制面参数；分别为x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟祥印，傅茂龙，罗锦泽，熊鹰，郭学理，孟文，肖世德，杨子镱，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：