[发明专利]基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法

权利要求书

1.基于开关信号的移动机器人混合避障控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在非完整系统下构建机器人模型，在机器人感知范围内分别将无障碍区域和障碍区域分别定义为吸引力向量和排斥向量；

S2：在切换表面上建立开关信号1；在开关信号1的基础上建立开关信号2；

S3：设定不同控制行为；

S4：在开关信号控制下，形成混合避障控制方法；

在所述步骤S1中，非完整系统下构建机器人模型，机器人运动方程表达为：

其中，θ表示全局坐标下特定方向，v和w分别表示机器人的线速度和角速度，为表示混合避障控制规律，定义一组连续且平滑的饱和函数σ(x)，且满足以下的性质：

其中，饱和函数σ(x)＝tanh(x)；

所述步骤S2和步骤S3中，在切换表面上建立开关信号1，并在开关信号1的基础上建立开关信号2，设定不同控制行为，具体步骤为：

首先设定吸引函数对应的吸引矢量为：

其中x_rg＝x_g-x，y_rg＝y_g-y；

排斥函数定义为对应的排斥向量为：

Φ_ro＝p-p_r＝[x_ro,y_ro]^T

其中x_ro＝x-x_o和y_ro＝x-y_o表示从障碍物指向机器人的排斥向量，排斥向量方向为从障碍物指向机器人；

将吸引矢量投影到排斥矢量空间中得到机器人速度矢量，然后使用统一速度矢量Δp表示上述吸引矢量或回避矢量，表达式为：

其中ζ_ri＝{1,0}，i∈{1,2}表示避障状态之间切换信号的开启或关闭；定义开关信号ζ_r1：

其中为机器人与障碍物之间的最小距离；提出的切换开关信号增加机器人与目标点之间方位角之差θ_ro，当|θ_ro|≥π/2时，ζ_r1＝0表示到障碍物的距离在机器人检测范围之内；

将开关信号2表示为ζ_r2，并分成连续的分段切换信号：

在开关信号1的作用下机器人避开障碍物；增加开关信号2为KM1的前馈切换信号；

所述步骤S4中，混合控制规则的建立：

机器人在运动中，系统在避障和无障碍之间往返切换，把系统看为混合切换行为；机器人在开关信号1和开关信号2之间切换行为为：

当机器人检测到障碍物时，使用回避矢量控制机器人自身转向和速度，其中转向角大小是通过计算由两个旋转产生的吸引矢量和回避矢量之间的内积决定，选择具有较大内积的旋转矢量作为旋转角；机器人在静态障碍物环境下，得到排斥向量和分别为：

对于动态障碍物排斥向量和分别为：

机器人从传感器接收数据并利用接收到的数据进行分析，得到周围环境中障碍物的坐标，其中旋转矩阵用机器人坐标变换以此来控制机器人旋转角度，公式如下：

通过分析从传感器获取的外围数据，计算自身与跟障碍和目标之间的角度矢量，保证机器人行驶方向与目标点矢量总是为正，即回避矢量总是决定机器人导航方向，方程如下所示：

其中，设定在机器人导航库里的预处理行为对障碍物进行规避，使用KM1进行避障任务，通过KM2避免系统的抖动，控制机器人平稳运动，使机器人向目标点运动。