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申请/专利权人：东北大学

摘要：本发明公开了一种具有运动速度区间约束的轮式移动机器人自适应重物质量的跟踪控制方法。其特征为：基于移动机器人的运动学模型，利用模型预测方法通过限制每个轮子的速度输入，将机器人运动速度约束在指定的区间范围内；利用区间约束的运动速度和动力学模型，建立跟踪误差系统，提出自适应重物质量的跟踪控制方法，并基于Lyapunov理论实现了跟踪误差系统的渐近稳定性；基于STM32H7系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，对装载不同质量重物的移动机器人，均能实现区间速度约束下的安全跟踪运动。该方法利用新技术约束了移动机器人的运动速度区间，并自适应不同重物质量实现了货物搬运。

主权项：1.速度区间约束的移动机器人自适应重物质量的控制方法，其特征在于基于移动机器人的运动学模型，利用模型预测方法通过限制每个轮子的速度输入，将机器人运动速度约束在指定的区间范围内；利用区间约束的运动速度和动力学模型，建立跟踪误差系统，提出自适应重物质量的跟踪控制方法，并基于Lyapunov理论实现了跟踪误差系统的渐近稳定性；步骤如下：1基于移动机器人的运动学模型，利用模型预测方法通过限制每个轮子的速度输入，并建立系统性能优化指标，将移动机器人运动速度约束在指定的区间范围内；2利用区间约束的运动速度和动力学模型，建立移动机器人跟踪误差系统，分离系统中刻画重物质量的信息，并设计重物质量的估计表达式，提出自适应重物质量的跟踪控制方法，并基于Lyapunov理论实现了跟踪误差系统的渐近稳定性；基于移动机器人的运动学模型，利用模型预测方法通过限制每个轮子的速度输入，并建立系统性能优化指标，将移动机器人运动速度约束在指定的区间范围内，其移动机器人运动学模型描述如下 其中， 表示移动机器人在x轴、y轴和旋转角三个方向的运动速度；Kθ表示系数矩阵，θ表示x轴和x′轴间的夹角；vit表示移动机器人每个轮子的运动速度，i＝1,2,3,4；a表示左右两轮间距离的一半；进一步，将移动机器人运动学模型1写为如下形式 其中为Kθ的广义逆矩阵；令Xt＝[xtytθt]T表示系统运动轨迹状态，Vt表示系统输入，表示系统输出，对运动学模型2离散化，并将速度输入表达为增量形式，可得机器人预测模型为 其中Vk-1表示系统前一时刻速度输入，ΔVk＝[Δv1kΔv2kΔv3kΔv4k]T表示当前时刻速度输入增量，A＝I3为单位矩阵，为预测模型的系数矩阵，T为采样周期；设N为预测时域，NC为控制时域；为了约束机器人实际运动速度，建立移动机器人在预测时域内速度的约束区间如下： 其中表示预测时域内k时刻到k+N-1时刻机器人的运动速度，表示预测时域内机器人速度约束区间的最小值，表示预测时域内机器人速度约束区间的最大值；由式3可得预测时域内移动机器人运动速度模型如下： 其中表示控制时域内机器人速度输入增量，且Λ＝RqΞ0，Φ＝RqΞ1， Rk+ρ,ρ＝0,1…N-1表示预测时域内k时刻到k+N-1时刻机器人系统对应的系数矩阵，I4表示4×4的单位矩阵；将式5代入式4可得预测时域内速度输入增量的约束条件 其中进一步，式6可化为如下形式： 其中Φν＝[-ΦTΦT]T，为了获得移动机器人的运动速度约束区间，并且避免与指定速度误差过大，建立如下目标函数： 其中G表示适当维数的正定对称矩阵；将式5代入式8，可将系统目标函数化为如下形式 其中H＝2ΦTGΦ，结合式7和式9，可得机器人运动速度区间约束的优化问题如下 这样通过求解优化问题式10，可得约束的速度输入增量序列并将中的第一个值作为速度增量ΔVk，再利用预测模型3计算移动机器人每个轮子受限的速度输入Vk，进一步利用运动学模型2，将移动机器人的运动速度约束在指定的区间范围内，实现了机器人运动环境的安全；利用区间约束的运动速度和动力学模型，建立移动机器人跟踪误差系统，分离系统中刻画重物质量的信息，并设计重物质量的估计表达式，提出自适应重物质量的跟踪控制方法，并基于Lyapunov理论实现了跟踪误差系统的渐近稳定性,移动机器人动力学模型描述如下 其中 M表示移动机器人的质量，m表示装载不同重物的质量，I0表示移动机器人的转动惯量，Xt表示移动机器人在x轴、y轴和旋转角三个方向的运动轨迹，ut表示移动机器人四个轮子的控制输入力；在移动机器人动力学模型11的基础上，令x1t＝Xt，得到系统状态方程为： 设机器人的指定训练轨迹为Xdt，实际运动轨迹为Xt，则得到轨迹跟踪误差为：e1t＝Xt-Xdt＝x1t-Xdt13设计变量α，并利用受约束的运动速度则得到速度跟踪误差为： 其中c10为变量α的调节参数；在动力学模型式12基础上，再结合式14，得到误差系统为： 对于式15，系数矩阵M0中含有机器人装载重物质量m的信息，分解如下：M0＝A+mH16其中 利用式16设计重物质量的估计表达式如下： 其中是M0的估计值，是m的估计值，且估计误差为了使移动机器人在装载不同质量货物的情况下，以受约束的运动速度实现跟踪运动，基于误差系统15，设计控制输入力和自适应律如下： 其中为Bθ的广义逆矩阵，c20为控制器的调节参数，γ为自适应律的调节参数；建立移动机器人跟踪误差系统的李雅普诺夫函数如下： 对式20沿误差系统15求导，可得 将控制输入力18和自适应律19代入式21，可得 于是由式22可知，轨迹跟踪误差e1t和速度跟踪误差e2t可实现渐近稳定，且控制器18将移动机器人实际运动速度约束在一定区间范围内，并在装载不同质量重物的情况下，机器人能适应重物质量变化实现安全的跟踪运动。

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百度查询： 东北大学 速度区间约束的移动机器人自适应重物质量的控制方法