[发明专利]一种基于节能考虑的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及移动机器人的控制领域，尤其涉及一种适用于轮式移动机器人的轨迹跟踪控制方法。

背景技术

机器人能力的大小与规模是一个国家科技水平的象征，因此世界各国的研究机构都非常重视这方面的研究工作。移动机器人是机器人学的一个重要分支，随着计算机、人工智能、机械电子以及自动化等技术的飞速发展，移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。常见的移动机器人有轮式、履带式、腿式和蜿蜒式等几种类型，其中轮式移动机器人由于其悠久的历史与成熟的设计，在实际应用中最为常见。

轨迹跟踪控制是轮式移动机器人研究的基础性问题，是智能化技术的核心，因此提高轮式移动机器人的轨迹跟踪控制性能对于提高机器人自动化水平具有重要的理论意义和实用价值；另一方面，目前大多数的轮式移动机器人都使用蓄电池提供能量，由于电池技术的局限，机器人使用时间十分有限。因此，如何有效地使用有限的电池能量，延长其运行时间成为一个至关重要的课题。虽然目前有关轮式移动机器人轨迹跟踪控制的研究前人已取得了许多重要研究成果，控制方法涵盖了反演控制、滑模控制、自适应控制、神经网络控制、模糊控制等。然而，基于节能考虑同时又能实现轮式移动机器人对既定轨迹的准确跟踪的控制问题至今仍未能得到很好的解决。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的不足之处，本发明提供一种基于节能考虑的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，主要考虑轮式移动机器人的机械能耗，建立能耗模型并将其与轮式移动机器人运动学模型有效融合，建立关联模型，设计一个有效的速度控制策略，从而有效减少能耗损耗，提高能量利用效率，实现基于节能考虑的轮式移动机器人轨迹跟踪控制。

本发明采用以下技术方案：

一种基于节能考虑的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，其步骤为：

(1)根据轮式移动机器人的能耗特点，重点考虑机器人巡航时的驱动电机能耗优化，构建电机能耗模型；

(2)根据轮式移动机器人轨迹跟踪的特点，建立运动学模型及跟踪误差模型，设计运动学跟踪子控制器；

(3)根据运动学模型和电机能耗模型之间的内在关联机制，构建其关联模型；

(4)设计节能子控制器，获得一种基于节能考虑的轮式移动机器人轨迹跟踪控制策略。

具体实现过程为：

(a)由路径规划算法给出当前时刻的轮式移动机器人参考位姿p_r＝[x_r y_r θ_r]^T和参考速度q_r＝[v_r ω_r]^T；由轮式移动机器人定位模块反馈得到当前时刻的轮式移动机器人当前实际位姿p_c＝[x y θ]^T；比较p_r与p_c可得到轮式移动机器人在全局坐标系{X-O-Y}下的位姿误差矢量，再经过坐标转换矩阵T转换得到局部坐标系{X_0-C-Y₀}下的位姿误差矢量p_e＝[x_e y_e θ_e]^T；

(b)上步中的误差矢量p_e和参考速度q_r一起作为轮式移动机器人运动学跟踪子控制器的输入，输出期望速度控制率q_d＝[v_d ω_d]^T；