[发明专利]一种基于模型预测的人机协同控制方法

权利要求书

1.一种基于模型预测的人机协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

假设被控机器人的模型为：x_k+1＝Ax_k+Bu_k，目标位置满足：Mx_k＝b，x_k表示第k个时刻被控机器人的位置坐标，u_k表示第k个时刻被控机器人的控制量；A和B是由被控机器人实际物理模型决定的系统参数矩阵；M,b是目标位置满足的线性方程组的参数矩阵，由目标的实际物理位置决定；A＝I,B＝I且M＝I，I为单位矩阵；

步骤1、按被控机器人的目标位置与初始位置的距离、接收操作员指令的频率、机器人的移动速度与任务需要设置被控机器人的模型预测窗口长度的最大值N_max和最小值N_min；

步骤2，设0时刻的预测窗口长度为N₀，则令N₀＝N_max；

步骤3、将k时刻预测窗口长度N_k按下式进行缩短：

步骤4，根据滤波与预测算法结合操作员的当前控制指令v_k预测操作员的未来N_k个时刻的控制指令{v′_k,v′_k+1,…v′_k+i…,v′_k+(Nk-1)}；i＝0,1,…,(N_k-1),其中v′_k＝v_k；

步骤5，结合所述未来N_k个时刻的控制指令{v′_k,v′_k+1,…v′_k+i…,v′_k+(Nk-1)}利用下式计算当前时刻控制被控机器人实际运动的控制量u_k：

其中，λ_i为未来第i个时刻控制量的非对称权重，且满足：

步骤6，采用u_k对被控机器人进行控制。

2.如权利要求1所述的基于模型预测的人机协同控制方法，其特征在于，设置中间量p₀，令代入式(1)将u_k简化为：

3.如权利要求2所述的基于模型预测的人机协同控制方法，其特征在于，采用零阶保持器的预测方法，即令v′_k+i＝v_k时，则式(2)转换为式(3)：

u_k＝(1-N_kp₀)v_k+p₀(b-x_k) (3)。

4.如权利要求2所述的基于模型预测的人机协同控制方法，其特征在于，采用零阶保持器的预测方法和指数递减的权重分配方法，零阶保持器的预测方法即v′_k+i＝v_k，指数递减的权重分配方法即λ_i＝λ_0qⁱ,0<q<1时，参数矩阵b＝x_f，其中q为权重分配方法的底数；则式(2)转换为式(4)：

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5.如权利要求1所述的基于模型预测的人机协同控制方法，其特征在于，所述步骤5中λ_i为指数递减形式，即满足：λ_i＝λ₀qⁱ,0<q<1。

6.如权利要求1所述的基于模型预测的人机协同控制方法，其特征在于，所述步骤5中λ_i为线性递减形式，即满足：

7.如权利要求1所述的基于模型预测的人机协同控制方法，其特征在于，所述步骤3中进行缩短时需要先判断x_k是否比x_k-1更靠近参考点，判断方法为：

在0时刻计算获得控制量u₀后，设置参考点z为z＝x₀+u₀；

如果||x_k-z||≤||x_k-1-z||，则保持参考点和预测窗口长度不变；

如果||x_k-z||>||x_k-1-z||，则更新参考点，令新的参考点为x_k+u_k，同时收缩预测窗口。