[发明专利]一种生活支援机器人系统的轨迹跟踪控制方法

说明书

本发明涉及机器人系统轨迹跟踪控制技术领域，公开了一种生活支援机器人系统的轨迹跟踪控制方法，步骤包括建立生活支援机器人系统的动态数学模型、系统模型和状态空间模型；设计系统的扰动观测器；设计非奇异快速终端滑模面，并构造系统的的滑模控制器，包括设计生活支援机器人系统的跟踪误差系统、设计非奇异快速终端滑模面、设计滑模趋近律和构造滑模控制律；滑模控制律将控制信号指令传送给系统执行器，实现轨迹跟踪。本发明能够解决生活支援机器人系统的内部多状态特性，以及系统中存在模型参数的不确定性及运行环境下扰动等问题，获得较为理想的动态特性，对系统参数和外部的干扰信号变化具有一定的鲁棒性，使得系统具有良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及机器人系统轨迹跟踪控制技术领域，尤其涉及一种生活支援机器人系统的轨迹跟踪控制方法。

背景技术

机器人是工业时代飞速发展的产物,时至今日,已经取得了飞速的发展,以不同的形态活跃在各行各业中。所谓生活支援机器人,是响应当代全球人口老龄化的社会现实而提出来的,为人们的日常生活、工作提供帮助的机器人。相对于工业机器人,比如医疗机器人、扫地机器人的生活支援机器人更加贴近于我们的生活,出现在我们的身边,这种特殊性决定了其面对的工作环境将更加复杂，因此,就需要机器人能够准确地获取相关的工作信息。

生活支援机器人的控制系统是一个典型的多变量、非线性、不稳定的动态系统。在实际情况中，为了成功地将机器人运行到期望的位置，需要机器人多次进行前进、转向或后退等操作，最终到达理想的位置，其控制是一项较为困难的工作。除此之外，保证控制系统的稳定性也是非常重要的，尽管目前基于各种经典线性控制理论和先进控制理论的方法已经提出，但由于生活支援机器人系统的内部多状态特性，以及系统中存在模型参数的不确定性及运行环境中的扰动等问题，一般的线性控制理论不再适用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种生活支援机器人系统的轨迹跟踪控制方法，能够有效解决生活支援机器人系统的内部多状态特性，以及系统中存在模型参数的不确定性及运行环境下扰动等问题，获得较为理想的动态特性，对系统参数和外部的干扰信号变化具有一定的鲁棒性，使得系统具有良好的稳定性。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

一种生活支援机器人系统的轨迹跟踪控制方法，包括以下步骤：

S1、建立生活支援机器人系统的动态数学模型、系统模型和状态空间模型；

S2、基于动态数学模型，设计生活支援机器人系统的扰动观测器；

S3、基于滑模理论，设计非奇异快速终端滑模面，并构造生活支援机器人系统的的滑模控制器，包括设计生活支援机器人系统的跟踪误差系统、设计非奇异快速终端滑模面、设计滑模趋近律和构造滑模控制律；

S4、滑模控制律将控制信号指令传送给系统执行器，实现轨迹跟踪。

本发明方法的滑模控制是一种非线性控制方法，它通过使用一个不连续的控制信号来改变系统的动态，并迫使系统沿着规定的开关流形滑动。与其他控制方法相比，本发明的优点在于其简单性、对外部干扰的高鲁棒性和对系统参数变化的低敏感性。扰动观测器将所有作用在系统的内部和外部的未知扭矩或者力集合起来，归入一个扰动项。使用扰动观测器估计这个扰动项，扰动观测器的输出可用于对干扰进行前馈补偿。由于这种补偿的前馈性质，扰动观测器可以提供快速、出色的跟踪性能和平滑的控制输入，而不需要使用大的反馈增益。

进一步，所述步骤S1中建立生活支援机器人系统的动态数学模型的方法为：