[发明专利]一种基于级联系统理论的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明公开了一种基于级联系统理论的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法。首先，在笛卡尔坐标系下，建立轮式移动机器人的3自由度运动学模型，并基于机器人运动学模型，给出期望轨迹的运动学表达形式；其次，引入位姿误差，利用全局坐标变换，建立轨迹跟踪误差系统运动学模型；最后，基于级联系统理论，设计轨迹跟踪控制方法，选取适当的控制参数，使闭环跟踪误差系统全局渐近稳定，跟踪误差趋近于0，实现机器人对期望运动轨迹实时准确地跟踪。本发明形式简单，实用性强，能够有效实现轮式移动机器人对期望运动轨迹的跟踪，有十分广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于轮式移动机器人运动控制的技术领域，尤其涉及一种基于级联系统理论的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法。

背景技术

通常，定义移动机器人为能够在室内或室外依据软件程序设定，自主、持续完成作业任务的智能机器人。它是集传感信息实时获取、控制行为动态决策以及行为响应即时执行等多项任务于一体的综合性系统，其研究交叉融合了包括机械力学、传感与检测技术、运动控制、智能控制等在内的多个学科的前沿理论知识。

轮式移动机器人的轨迹跟踪控制是指轮式移动机器人即时、准确的跟踪期望的静态或动态轨迹，使得跟踪误差最终收敛到零，也即轮式移动机器人闭环跟踪误差系统收敛稳定。而轮式移动机器人系统是一个典型的多输入多输出、欠驱动、非完整的非线性系统，不满足Brockett条件，因此定常光滑的状态反馈控制器不能实现渐近跟踪控制。目前，国内外学术界关于轮式移动机器人轨迹跟踪控制应用较多的研究方法主要包括基于Lyapunov的非线性控制法、反步法、自适应控制法、模糊控制法等。

文献(C.Samson and K.Ait-Abderrahim.Feedback control of a nonholonomicwheeled cart in Cartesian space[C].Proceedings.1991 IEEE InternationalConference on Robotics and Automation,Sacramento,CA,USA,1991,pp.1136-1141vol.2.)利用Lyapunov直接法成功论证出一种全局轨迹跟踪控制器；文献(K.Kozlowski and J.Majchrzak.A backstepping approach to control a non-holonomic mobile robot[C].Proceedings 2002 IEEE International Conference onRobotics and Automation(Cat.No.02CH37292),Washington,DC,USA,2002,pp.3972-3977vol.4.)基于轮式移动机器人的运动学和动力学模型，利用反步法设计控制器，成功实现了轨迹跟踪；文献(T.Das,I.N.Kar and S.Chaudhury.Simple neuron-based adaptivecontroller for a nonholonomic mobile robot including actuator dynamics[J].Neurocomputing,2006,69(16):2140-2151.)将自适应控制与模糊控制相结合，完成了轨迹跟踪控制任务。

本发明则采用级联设计法，将轮式移动机器人系统转换为等价的级联系统，直接对两个级联子系统分别设计控制器，并构造级联项使其满足一定条件，进而保证闭环跟踪误差系统渐近稳定。一方面，该方法极大简化了控制器设计过程；另一方面，该方法使系统分析更加简洁。控制设计方法形式相对简单，跟踪效果好，应用范围广。

发明内容

发明目的：针对轮式移动机器人系统多输入多输出、欠驱动、非完整、非线性强的特点，提出一种基于级联系统理论的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于级联系统理论的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法，步骤包括：