CN109946970B - 一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法 - Google Patents

一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法，信息获取过程分为以下几步：（1）对非完整机器人建立运动学模型；（2）在非完整机器人车身安装一台传感器，用于时时传输非完整机器人在运动过程中的位置；（3）设计有限时间观测器并将传感器时时采集到的位置数据传输到观测器控制算法模块中，使得非完整机器人实时获取自己的前进速度和角速度从而保证能够按照规定的路线运动。本发明的一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法，控制速度快、方法简单易操作、算法稳定，对硬件设备要求较低，运动鲁棒性高，实用性强，易于商业化。

Description

一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法
技术领域
本发明涉及非完整机器人获取实时速度信息的技术领域，具体涉及一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法。
背景技术
目前非完整机器人的应用几乎渗透各行各业。非完整机器人具有自量轻、承载大、驱动和控制相对方便、行走速度快、工作效率高等优点，从而从各类机器人中脱颖而出。
解决非完整机器人在运动过程中速度信息不可测的问题是一项具有挑战性的任务，在控制领域引起了越来越多的关注。信息获取技术有其自身的复杂性，主要表现在：非完整机器人在运动的过程中随着运动规律的变化速度也将时刻变化。使用非完整机器人进行军事任务一直是最受关注的前沿课题之一。因为它在协作机器人侦察，多机器人形成和轨迹跟踪中有非常重要的应用。目前针对非完整机器人的控制算法大致有三种：(1)自适应控制，(2)鲁棒控制，(3)增益调节控制；但是这些算法计算复杂、计算量大、对系统的实时性要求高，这将增加算法实现成本，不利于实际应用。
因此，为解决上述问题，需要提出一种稳定性好、实时性强、成本低，利用实际应用的非完整机器人信息获取控制算法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有非完整机器人控制技术中的上述缺陷，提供一一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法，该算法稳定性好、实时性强、成本低、便于实际应用。
本发明通过采取如下技术方案得到：
一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法，包括下列步骤：
(1)、利用直角坐标系来刻画非完整机器人在平面中的运动；非完整机器人的带有未知外部扰动的动力学模型由公式(1)得到：
Figure BDA0002013688560000021
公式(1)中，[x,y]T∈R2代表非完整机器人在平面中的位置坐标，θ为非完整机器人前进的速度方向与X轴正向的夹角，v表示其前进直线速度，ω表示其自转的角速度；u1为非完整机器人的线速度力矩输入量，u2为非完整机器人的角速度力矩输入量，[d1,d2]∈R为非完整机器人在编队的过程中受到的不可测的外部干扰，并且[d1,d2]∈R满足公式(2)：
Figure BDA0002013688560000022
公式(2)中L1和L2为常数；
(2)、在非完整机器人上安装上用于传输位置信息的传感器；直角坐标系下非完整机器人前进速度、坐标状态、角速度、旋转角和外部扰动观测器误差模型由公式(3)给出：
Figure BDA0002013688560000023
公式(3)中e1为非完整机器人旋转角观测器误差，e2为角速度观测器误差，e3为非完整机器人前进时的外部扰动观测器误差，e4为坐标状态观测器误差，e5为速度观测器误差，e6为非完整机器人自转时的外部扰动观测器误差；
(3)、步骤(2)中的6个状态观测器由公式(4)分别给出：
Figure BDA0002013688560000031
公式(4)中的实际状态为(v,ω,d1,d2)，λ0，λ1和λ2是相关增益；将公式(1)和公式(4)代入公式(3)得到新的观测器误差模型(5)：
Figure BDA0002013688560000032
公式(5)的误差系统根据有限时间稳定性理论能够在有限时间内收敛到零，从而保证了前进速度观测器在有限时间内收敛到不可测的实际前进速度，角速度观测器在有限时间内收敛到不可测的实际角速度，外部扰动观测器在有限时间内收敛到实际的外部扰动；使得非完整机器人时时获取自己的前进速度和角速度从而保证能够按照规定的路线运动。
本发明相对于现有控制技术具有以下的优点和效果：
本发明提出的非完整机器人获取速度信息算法基于有限时间观测器选择的参数简单、物理含义清晰；非完整机器人获取速度信息控制算法中的计算是任务执行之前开始前计算完成，运动过程中非完整机器人自动获取速度信息，运动稳定性好，鲁棒性高。
附图说明
图1是非完整机器人运动示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法，包括下列步骤：
一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法，包括下列步骤：
(1)、利用直角坐标系来刻画非完整机器人在平面中的运动；非完整机器人的带有未知外部扰动的动力学模型由公式(1)得到：
Figure BDA0002013688560000041
公式(1)中，[x,y]T∈R2代表非完整机器人在平面中的位置坐标，θ为非完整机器人前进的速度方向与X轴正向的夹角，v表示其前进直线速度，ω表示其自转的角速度；u1为非完整机器人的线速度力矩输入量，u2为非完整机器人的角速度力矩输入量，[d1,d2]∈R为非完整机器人在编队的过程中受到的不可测的外部干扰，并且[d1,d2]∈R满足公式(2)：
Figure BDA0002013688560000042
公式(2)中L1和L2为常数；
(2)、在非完整机器人上安装上用于传输位置信息的传感器；直角坐标系下非完整机器人前进速度、坐标状态、角速度、旋转角和外部扰动观测器误差模型由公式(3)给出：
Figure BDA0002013688560000043
公式(3)中e1为非完整机器人旋转角观测器误差，e2为角速度观测器误差，e3为非完整机器人前进时的外部扰动观测器误差，e4为坐标状态观测器误差，e5为速度观测器误差，e6为非完整机器人自转时的外部扰动观测器误差；
(3)、步骤(2)中的6个状态观测器由公式(4)分别给出：
Figure BDA0002013688560000051
公式(4)中的实际状态为(v,ω,d1,d2)，λ0，λ1和λ2是相关增益；将公式(1)和公式(4)代入公式(3)得到新的观测器误差模型(5)：
Figure BDA0002013688560000052
公式(5)的误差系统根据有限时间稳定性理论能够在有限时间内收敛到零，从而保证了前进速度观测器在有限时间内收敛到不可测的实际前进速度，角速度观测器在有限时间内收敛到不可测的实际角速度，外部扰动观测器在有限时间内收敛到实际的外部扰动；使得非完整机器人时时获取自己的前进速度和角速度从而保证能够按照规定的路线运动。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于观测器的非完整机器人速度信息的获取方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)、利用直角坐标系来刻画非完整机器人在平面中的运动；非完整机器人的带有未知外部扰动的动力学模型由公式(1)得到：
Figure FDA0003479771440000011
公式(1)中，[x,y]T∈R2代表非完整机器人在平面中的位置坐标，θ为非完整机器人前进的速度方向与X轴正向的夹角，v表示其前进直线速度，ω表示其自转的角速度；u1为非完整机器人的线速度力矩输入量，u2为非完整机器人的角速度力矩输入量，[d1,d2]∈R为非完整机器人在编队的过程中受到的不可测的外部干扰，并且[d1,d2]∈R满足公式(2)：
Figure FDA0003479771440000012
公式(2)中L1和L2为常数；
(2)、在非完整机器人上安装上用于传输位置信息的传感器；直角坐标系下非完整机器人前进速度、坐标状态、角速度、旋转角和外部扰动观测器误差模型由公式(3)给出：
Figure FDA0003479771440000013
公式(3)中e1为非完整机器人旋转角观测器误差，e2为角速度观测器误差，e3为非完整机器人前进时的外部扰动观测器误差，e4为坐标状态观测器误差，e5为速度观测器误差，e6为非完整机器人自转时的外部扰动观测器误差；
(3)、步骤(2)中的6个状态观测器由公式(4)分别给出：
Figure FDA0003479771440000021
公式(4)中的实际状态为(v,ω,d1,d2)，λ0，λ1和λ2是相关增益；将公式(1)和公式(4)代入公式(3)得到新的观测器误差模型(5)：
Figure FDA0003479771440000022
公式(5)的误差系统根据有限时间稳定性理论能够在有限时间内收敛到零，从而保证了前进速度观测器在有限时间内收敛到不可测的实际前进速度，角速度观测器在有限时间内收敛到不可测的实际角速度，外部扰动观测器在有限时间内收敛到实际的外部扰动；使得非完整机器人实时获取自己的前进速度和角速度从而保证能够按照规定的路线运动。
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基于干扰观测器的移动机器人轨迹跟踪控制;许坤 等;《应用科学学报》;20160331;第34卷(第02期);第177-189页 *

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