[发明专利]适用于不同使用者的服务机器人速度约束跟踪控制方法

说明书

适用于不同使用者的服务机器人速度约束跟踪控制方法，该方法如下：1）、建立刻画不同使用者质量变化的随机微分方程；2）、约束机器人在轴轴和旋转角方向的运动速度；3）利用步骤2）中受约束的运动速度并结合步骤1）中随机微分方程，建立跟踪误差系统，基于随机稳定理论，构建跟踪误差系统的指数稳定条件，实现适用于不同使用者的速度约束跟踪控制方法。本发明控制器设计简单，易于实现，控制器中没有使用者的质量信息，从而使服务机器人能应用于不同使用者，提高了轨迹跟踪精度；同时，为随机微分方程描述的服务机器人系统提供了一种约束运动速度的方法，避免机器人速度发生突变，保障了使用者的安全。

技术领域：

本发明涉及服务机器人的控制领域，尤其是关于轮式生活服务机器人的控制方法。

背景技术：

交通事故及人口老龄化使步行障碍患者逐年增多，由于我国缺少专业康复人员，导致步行障碍患者无法得到及时有效的运动训练，从而步行功能逐渐丧失，无法实现日常独立生活。随着服务机器人在居家、养老院等场所的应用，有效解决了步行障碍患者的自立生活问题。然而，在实际应用中，不同质量的使用者会使机器人偏离室内的运动轨迹，严重影响了机器人的跟踪精度，甚至会使机器人碰撞周围的障碍物。另外，机器人运动过程中不确定的外界环境，难免使其速度发生突变而威胁使用者的安全。因此，研究服务机器人的控制方法，使其能适应不同质量的使用者且以受约束的运动速度帮助步行障碍患者实现日常独立生活具有重要意义。

近年来，服务机器人跟踪控制已有许多研究成果，然而这些结果都无法解决不同使用者质量随机变化问题。如果机器人不能适应不同质量的使用者，不仅影响跟踪精度，而且过大的跟踪误差会使机器人碰撞周围的物体，从而威胁使用者的安全。同时，利用随机微分方程描述的服务机器人动力学系统，无法直接约束其运动速度。因此，到目前为止还没有关于不同使用者质量随机变化且速度受约束的跟踪控制方法，本发明基于新视角研究了提高服务机器人跟踪精度的方法，对确保不同步行障碍患者都能安全地实现日常独立生活具有重要意义。

发明内容：

发明目的：

为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于不同使用者的服务机器人速度约束跟踪控制方法，目的是提高机器人的跟踪精度，从而保障使用者的安全。

技术方案：

一种适用于不同使用者的服务机器人速度约束跟踪控制方法，

该方法步骤如下：

1)、根据服务机器人的动力学模型，将系数矩阵M₀中训练者的质量m分解为定常值和随机变量，建立刻画不同使用者质量变化的随机微分方程；

2)、基于服务机器人的运动学模型，提出控制每个轮子运动速度的模型预测控制方法，进而约束机器人在x轴、_y轴和旋转角方向的运动速度

3)利用步骤2)中受约束的运动速度并结合步骤1)中随机微分方程，建立跟踪误差系统，基于随机Lyapunov稳定理论，构建跟踪误差系统的指数稳定条件，实现适用于不同使用者的速度约束跟踪控制方法。

步骤1)中：动力学模型描述如下：

其中

X(t)表示服务机器人的实际行走轨迹，u(t)表示控制输入力，f_i(i＝1,2,3)表示每个轮子的输入力，M表示机器人的质量，m表示使用者的质量，I₀表示转动惯量，M₀,B(θ)为系数矩阵；θ表示水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角，l表示系统中心到每个轮子中心的距离，表示使用者的转动惯量；