[发明专利]轮式移动机器人的变结构控制方法有效

专利信息
申请号: 201110169879.9 申请日: 2011-06-22
公开(公告)号: CN102269995A 公开(公告)日: 2011-12-07
发明(设计)人: 孙棣华;廖孝勇;刘卫宁;赵敏;李硕;崔明月;何伟;郭磊;李陆;孙焕山 申请(专利权)人: 重庆大学
主分类号: G05D1/02 分类号: G05D1/02
代理公司: 北京同恒源知识产权代理有限公司 11275 代理人: 赵荣之
地址: 400044 *** 国省代码: 重庆;85
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摘要:
搜索关键词: 轮式 移动 机器人 结构 控制 方法
【说明书】:

技术领域

本发明涉及一种轮式移动机器人的控制算法,特别涉及到轮式移动机器人的一种变结构控制方法。

背景技术

机器人在产、学、研方面都有重大的研究意义,轮式机器人研究是机器人研究的一个分支,属于可行走智能机器人的研究范畴,其涉及到计算机、自动控制、传感与感知、无线通讯、精密机械和仿生材料等众多前沿学科。随着科技的不断发展,物质生活的提高,人类更想脱离于繁重、危险、重复的工作。因此机器人的使用越来越广泛,机器人运动的研究越来越受到重视。

移动机器人的运动控制问题是机器人研究中最基本的问题,也是机器人研究中只有依靠控制理论才能予以解决的问题。对于一个包括控制对象在内的控制系统而言,控制问题的理论研究包括两方面内容,一是控制系统分析问题,一是控制系统综合问题。在分析问题中,根据已知的控制输入作用,来确定控制系统的定性行为(如能控性、能观测性、稳定性等)以及定量的变化规律。在综合问题中,恰好与分析问题相反,根据所期望的受控系统运动形式或某些性能指标,来确定需要施加于控制对象的控制输入作用,即控制算法。

要改进机器人运动性能,其底层运动控制算法的设计和优化成了关键。设计出好的的运动控制系统成了完善轮式机器人系统的一个重要目标。

PID是最常用的控制方法,PID控制器三参数的确定有定性的计算方法。对于比例控制器,其输入量与输出量成比例,二者在时间上没有延迟;采用积分作用解决稳态误差,但是增大系统的相位滞后,严重的削弱系统响应速度。可采用在误差进入一定范围内才开始积分的方法可以进行有效控制。当其作用系数太大时,系统趋于不稳定。但若系数太小,又会是系统动作缓慢。在系统稳定的前提下加大比例调节,可减少稳态误差,但不能消除误差;采用微分控制,控制效果迅速,一般适用于有时间滞后的系统,具有超前调节的效果,但是如果数值挑选不当,控制系统的输入值会反复振荡,这导致系统可能永远无法达到预设值。此外,PID控制器缺少智能感知机制,实时性不强,运行轨迹不够准确和稳定,而且不能针对不同的状态采取不同的控制方法。

为了提高移动机器人行走的自适应能力,有文献提出了一种将模糊算法和比例积分相结合的模糊比例积分控制算法,并应用到自主开发的四轮移动机器人上,但是这种方法的规则区域不易划分,实际应用不易达到仿真效果。

通过对移动机器人运动学模型进行分析,以往基于视觉的双轮机器人,使用了参数模糊自整定的PID控制方法应用于移动机器人运动控制中,但是这种方法,参数不易整定,实际中不易实现。

轮式移动机器人在大弯道路径跟踪时,为了防止出现过度转向而引起较大跟踪误差以及偏离预定路径,有文献提出一种能适应大转向的航向跟踪控制方法,利用机器人左轮偏角的绝对方向作为控制器的反馈信息。但是在实际应用中,单一的偏转角作为反馈而不把中心偏移量作为反馈信息,不能达到很好的控制效果。

有文献提出设计基于融合函数的模糊控制器来进行机器人行走控制。该方法可以减少模糊规则,但是模糊控制器的设计较为复杂,实际应用中的模糊控制器不能很好的被设计出来。

适当的变结构控制可以使机器人系统在有限时间内达到指定的切换面,从而实现滑模控制。但是,实际系统由于切换装置不可避免地存在惯性,变结构控制系统在不同的控制逻辑中来回切换,因而导致实际滑模控制不是准确地发生在切换面上,容易引起系统的剧烈抖动,从而成为它在实际应用中的一大障碍。

移动机器人控制算法不同于一般系统的控制算法。常见的自动控制算法往往是针对特定的应用条件而进行设计的,只用于完成某种特殊功能。而机器人控制算法需要完成多种功能,所有机器人控制系统几乎都是多种控制算法的融合。

因此急需一种在控制机器人行走时,既能保留其优良特性,又能提高传统控制算法自适应性的控制算法。

专利提出一种将多模态控制、规则控制与PID控制进行融合的新的变结构控制方法,用于轮式移动机器人的行走运动控制。

发明内容

有鉴于此,为了解决上述问题,本发明提出一种在控制机器人行走时,既能保留其优良特性,又能提高传统控制算法自适应性的控制算法;将多模态控制、规则控制与PID控制进行融合的新的变结构控制方法,用于轮式移动机器人的行走运动控制。

本发明的目的是这样实现的:

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