[发明专利]基于选择性扰动补偿的全向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选择性扰动补偿的全向移动机器人轨迹跟踪控制方法，所述方法包括：建立全向移动机器人系统动力学模型；基于所述全向移动机器人动力学模型设计扩张状态观测器；利用扩张状态观测器估计的总扰动设计选择性扰动补偿控制器。本发明通过设计有选择性的扰动补偿方案，将经典的全扰动补偿的自抗扰控制进行改进，使控制系统能够实时辨别扰动类型，同时充分利用有利扰动而补偿不利扰动，在系统存在各种类型扰动的条件下，通过选择性扰动补偿，实现全向移动机器人的高性能的轨迹跟踪控制。

技术领域

本发明涉及轨迹跟踪控制领域，尤其涉及一种基于选择性扰动补偿的全向移动机器人轨迹跟踪控制方法。

背景技术

全向移动机器人由于其高度的机动性和灵活性，在一些狭窄的工作环境中越来越被广泛应用。由于全向移动机器人系统是非常复杂的非线性、强耦合系统，很难建立准确的数学模型，此外，在机器人运行过程中，会存在各种各样的环境扰动和内部扰动，因此在复杂的工况下如何实现强鲁棒性、高精度的轨迹跟踪成为机器人研究领域的一个具有挑战性的热点问题。

为解决全向移动机器人中存在复杂不确定性即各类扰动的问题，实现高质量的轨迹跟踪控制，国内外已经有众多学者进行了研究。目前大多数算法都是基于控制误差来消除系统的干扰，如韩国学者针对存在扰动的三轮全向移动平台的轨迹跟踪问题，设计了一种基于电压输入的差分滑模跟踪控制器^[1]；中国台湾学者提出了一种平滑转换的自适应滑模控制器，从而在系统不确定性存在的情况下实现轨迹跟踪的任务^[2]；南京航空航天大学学者针对四轮全向移动机器人在众多不确定因素影响下的高精度轨迹跟踪控制问题设计了一种模糊自适应滑模控制方法，并在仿真中加入了多种类型的干扰验证其抗扰性和鲁棒性^[3]。另一种处理控制系统中各种扰动的方法是利用观测器对扰动进行估计，然后在控制输入中进行补偿，如墨西哥学者针对全向移动机器人的轨迹跟踪问题设计了一种基于线性观测器-线性控制器的鲁棒输出反馈方案，将控制系统中所有的未知时变扰动通过一个广义比例积分观测器进行估计并在控制器中直接删除^[4]；天津大学学者将自抗扰控制技术应用到全向移动机器人的轨迹跟踪控制，利用一个扩张状态观测器实时估计系统的总扰动，并通过控制输入实时补偿，实现高鲁棒性控制^[5]。

在以上解决全向移动机器人轨迹跟踪控制系统中存在各类扰动问题的方法中，基于控制误差来消除系统干扰的方法属于被动控制，模型依赖性较强，对于全向移动机器人这类难以准确建模的复杂非线性系统而言，此类控制方法的控制性能受到了较大的限制。另一方面，基于观测器对扰动的估计实现对扰动的补偿的控制方法属于主动控制，其中的自抗扰控制技术利用扩张状态观测器主动从被控对象的输入输出信号中把扰动的信息提炼出来，从而在扰动影响系统之前用控制信号将干扰消除，该方法将包含建模误差在内的所有系统中的不确定因素都当成总扰动进行估计，对模型依赖度低。然而，在经典的自抗扰控制方法中，将系统受到的各种扰动都当作影响系统稳定的不利因素而直接进行了补偿。但是通过分析机器人控制系统的能量耗散情况发现，在实际控制过程中，系统受到的各类扰动并不全是对系统稳定有害的，其中还有一些扰动可以加快系统的能量耗散，从而加快控制系统的收敛速度，促使控制系统达到稳态。

因此，已有的扰动补偿控制算法直接在控制器中对全部扰动进行补偿，反而会减缓控制系统的收敛速度，降低控制系统的控制精度，这是基于全扰动补偿的控制方法的局限性。

参考文献

[1]Dinh V T,Nguyen H,Shin S M,et al.Tracking Control ofOmnidirectional Mobile Platformwith Disturbance Using Differential SlidingMode Controller[J].International Journal of Precision Engineering andManufacturing,2012,13(1):39-48.