[发明专利]全状态约束无人车的有限时间控制器的设计方法和装置

说明书

本发明提供一种全状态约束无人车的有限时间控制器的设计方法和装置，包括：建立无人车的系统运动学方程，基于系统运动学方程建立所述无人车的初始状态方程，基于初始状态方程，建立所述无人车的系统状态方程；基于系统状态方程，利用Lyapunov函数设计无人车的控制器的第一控制输入u₁，其中，所述第一控制输入u₁为施加在无人车左轮的速度；基于所述系统状态方程和所述第一控制输入u₁，利用反步法设计无人车的控制器的第二控制输入u₂，其中，所述第二控制输入u₂为施加在无人车右轮的速度。本发明提供的方法和装置可以使无人车系统较快地达到稳定状态，双控制器的设计还能保证系统的稳定和较强的鲁棒性。

技术领域

本发明涉及地球化学数据处理技术领域，尤其涉及一种全状态约束无人车的有限时间控制器的设计方法和装置。

背景技术

随着通信，计算机，网络等领域的飞速发展，移动机器人的相关课题以及成为了自动控制领域的一个重大研究方向。由于移动机器人可以参与完成各种复杂环境下的工作，这使得机械臂在工业生产和社会生活中的地位不断提高，因此，为了更好的利用移动机器人完成各项任务，移动机器人的控制问题受到了很大的关注。轮式移动机器人 (WMRs)在工业和军事应用方面具有巨大的潜力，在过去的几十年里，这类小型车辆的智能控制发展取得了重大进展。移动机器人可用于工厂车间的自动货物装卸、野外道路环境勘测和数据测量和室内地形建模等等。为了更好地利用机器人协助完成各种任务，越来越多的研究人员从事相关研究。

轮式移动机器人系统通常由两个独立的子系统组成，即低阶系统和二阶或高阶系统，它们通过类似的输入连接在一起。它在车辆、起重机和欠驱动机器人中具有实际工程应用。欠驱动移动机器人的控制方法包括开环控制和闭环控制。开环控制易于控制，但鲁棒性差，不能很好地抑制干扰。闭环控制受自身参数变化的影响较小，具有较强的鲁棒性。因此，非完整系统的闭环控制具有重要的实际应用价值。

近几年来，轮式移动机器人系统的有限时间镇定问题越来越受到研究者的关注。与渐近稳定控制相比，有限时间控制具有速度快、路径跟踪精度高和鲁棒性强的优点。因此，为了解决工程问题，应用有限时间控制来提高系统的稳态和动态性能。此外，有限时间控制可以遵守严格的瞬态响应要求，允许相关行业提高生产效率。此外有些学者研究了多轮编队的群有限时间稳定控制算法。

许多研究人员研究了有限时间控制方法。有些学者为了实现有限时间稳定性，提出了一种快速自适应终止滑模方法。其中，提出了一种新的全局翻转平面，以在有限时间内实现复杂系统的稳定性。然而滑模控制不可避免地会产生系统抖振，影响系统控制的稳定性。有些学者提出了一种求解复杂系统有限时间稳定性问题的幂积分方法。此外，还有些学者讨论了有限时间输出调整的轮式移动机器人系统问题。此外，对于许多工程系统问题，由于系统安全原因和性能规范，系统的输出或状态受到限制。在各种工业应用中，添加功率积分器是处理约束的重要数学工具。有些学者针对具有输出约束的非线性动态系统，提出了一种自适应控制策略。还有研究了如何跟踪具有时变输出约束的轮式移动机器人系统的输出，还有重点研究了一类随机轮式移动机器人系统的控制问题。有些学者研究了有限时间镇定问题的完全状态有限非线性系统。

虽然取得了较多关于移动机器人的控制成果，但是在全状态约束移动机器人的有限时间控制方面还没有取得相关成果。一方面，在实际应用中，控制系统都会受到来自各方面的约束，比如速度约束，角度约束；另一方面，由于工业生产的迅速发展，更高的工业生产指标以及更高的安全要求迫使有限时间控制成为一个重要的考虑因素。虽然有相关研究涉及到全状态约束下移动机器人的控制问题，但是并没有相关研究设计到全状态下的有限时间控制，这使得移动机器人的控制性能存在着部分缺陷。首先在控制约束方面，已有的控制大都为部分约束或者输出约束，无法保证移动机器人的稳定性能；其次，在时间方面，已有的控制方法对移动机器人的控制时间相对较长，这无法满足跟高的控制要求；最后，已有的控制器结构都相对复杂，这对设计使用也带来了不便。