[发明专利]一种绳系轮式移动机器人运动控制系统及方法

权利要求书

1.基于绳系轮式移动机器人运动控制系统的控制方法，所述绳系轮式移动机器人运动控制系统包括控制器、左轮驱动器、右轮驱动器、系绳绞盘驱动器、系绳张力传感器、系绳、绳系轮式移动机构和导航定位装置；所述绳系轮式移动机构包括左驱动轮、右驱动轮、绞盘、中心轴体和脚轮臂；左驱动轮和右驱动轮通过轴承连接于中心轴体的左右两侧，脚轮臂与中心轴体固定连接，绞盘通过轴承安装于中心轴体中央，系绳缠绕在绞盘上，系绳张力传感器固定于绞盘上或者安装在脚轮臂上，系绳穿过系绳张力传感器，系绳张力传感器测量系绳张力并将其转换为电信号后发送给控制器，导航定位装置检测机器人速度和位姿信息并发送给控制器，所述控制器包括运动学控制模块、动力学控制模块、干扰观测器模块和系绳张力控制模块，控制器对系绳张力传感器和导航定位装置发送的信息进行处理得到左轮驱动器、右轮驱动器的期望力矩以及系绳绞盘驱动器的期望系绳收放长度，左轮驱动器和右轮驱动器根据期望力矩控制左驱动轮和右驱动轮运动，系绳绞盘驱动器根据期望系绳收放长度控制绞盘收放系绳，从而实现机器人的运动控制；

其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

(1)比较上位轨迹规划系统输出的期望位姿与绳系轮式移动机器人实际位姿之间的差值，将其转换到机器人本体坐标系中得到位姿误差；

(2)根据位姿误差，由运动学控制模块通过运动学控制律计算得到期望的速度和方位角速度；所述运动学控制律如下：

v_c＝k₁x_e+v_dcosθ_e

上式中，k₀,k₁,k₂为控制增益，且有k₀＞0,k₁＞0,k₂＞0；v_c、ω_c分别为期望的速度和方位角速度，v_d、ω_d分别为机器人本体坐标系中期望的速度和方位角速度；x_e、y_e、θ_e分别为位姿误差中的横坐标误差、纵坐标误差和方位角误差；

(3)比较期望的速度和方位角速度与绳系轮式移动机器人实际的速度和方位角速度之间的差值，得到速度偏差和方位角速度偏差；

(4)根据干扰观测器模块估计的干扰、速度偏差和方位角速度偏差和动力学控制律，由动力学控制模块基于能耗最小原则计算最优系绳张力F^*，并通过动力学控制律计算得到期望的左轮控制力矩和右轮控制力矩，并分别传送给左轮驱动器和右轮驱动器进行双轮控制；所述动力学控制律如下：

上式中，τ_lr为双轮控制力矩，τ_lr＝[τ_l τ_r]^T，τ_l和τ_r分别为左轮控制力矩和右轮控制力矩，上标T表示转置；M(q)为系统动力学模型中的正定惯性矩阵，S为S(q)的简写形式，q＝[x y θ]^T，x,y表示机器人当前的位置，θ表示机器人当前的方位角；G(q)为系统动力学模型中的重力项；字母上方一点表示该参数的一阶求导；K_τ为正定控制增益矩阵；u_c＝[v_c ω_c]^T，u＝[v ω]^T，v,ω为机器人实际的速度和方位角速度；为系统不确定性和干扰的估计值；

其中，r为驱动轮半径，L为两驱动轮间距的一半，a为脚轮臂长度，α为系绳与脚轮臂杆轴线之间的夹角；

所述最优系绳张力F^*如下：

上式中，y₁、y₂、z₁、z₂定义：

(5)根据绳系轮式移动机器人实际的速度和方位角速度、双轮控制力矩和最优系绳张力F^*，干扰观测器模块估计系统的不确定性和干扰并输出到动力学控制模块进行补偿；所述干扰观测器模块的表达式如下：

上式中，K₃和K₄为观测器增益调节矩阵；为x的估计值，为速度跟踪误差，B(q)τ为系统所受广义力：

(6)根据最优系绳张力F^*和系绳张力传感器测量的系绳张力，系绳张力控制模块计算期望的系绳收放长度并传送给系绳绞盘驱动器进行绞盘控制。