CN110000782B - 一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法，去抖控制过程分为以下几步：（1）对非完整机器人编队任务建立动力学模型；（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控制的过程中的位置以及速度；（3）设计滑模观测器并将传感器时时采集到的位置数据和速度数据传输到去抖控制算法模块中，使得非完整机器人时时调整自己的运动从而保证能够按照规定的路线运动。本发明的一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法纯几何运算、简单易懂、算法稳定，对硬件设备要求较低，运动稳定，实用性强，易于商业化。

Description

一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法
技术领域
本发明涉及非完整机器人去抖控制技术领域，具体涉及一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法。
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。
利用非完整机器人解决其在运动过程中受到的外部扰动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。去抖技术有其自身的复杂性，主要表现在：外部扰动往往是未知的，非完整机器人自我调整姿态有时间延迟。使用非完整机器人进行编队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，需要提出一种计算量小、实时性好、成本低，利用实际应用的非完整机器人去抖控制算法。
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，提供一一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法，该算法计算量小、实时性好，实现成本低、便于实际应用。
本发明通过采取如下技术方案得到：
一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法，包括下列步骤：
(1)、利用直角坐标系来刻画多个非完整机器人在平面中的编队运动；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 GDA0003171945370000021
公式(1)中，[xi,yi]T∈R2代表第i个非完整机器人在平面中的位置坐标，θi为第i个非完整机器人前进的速度方向与X轴正向的夹角，vi表示第i个非完整机器人前进直线速度，ωi表示第i个非完整机器人自转的角速度；τi1表示第i个非完整机器人的线速度力矩输入量；τi2表示第i个非完整机器人的角速度力矩输入量，[li1，li2]∈R为第i个非完整机器人在编队的过程中受到的不可测的外部干扰；
(2)、在非完整机器人上安装上用于传输位置信息和速度信息的传感器；直角坐标系下非完整机器人编队理想状态模型由公式(2)给出：
Figure GDA0003171945370000023
公式(2)中，di(t)是非完整机器人与编队旋转中心的实时距离；dρ是非完整机器人与编队旋转中心的理想距离；
Figure GDA0003171945370000024
是非完整机器人绕旋转中心旋转的实时转速；
Figure GDA0003171945370000025
是非完整机器人绕旋转中心旋转的理想转速；ψi(t)-ψj(t)是第i个非完整机器人与第j个非完整机器人绕旋转中心的角度偏差；γij是第i个非完整机器人与第j个非完整机器人绕旋转中心的理想角度偏差；
(3)、针对步骤(1)在整个非完整机器人编队运动前首先利用滑模扰动观测器的控制方法估计未知外部扰动，设计外部扰动观测器滑模面：
Figure GDA0003171945370000026
公式(3)中，[Li1,Li2]由公式(4)给出：
Figure GDA0003171945370000031
公式(4)中，各常数的定义以及取值范围由公式(5)给出：
Figure GDA0003171945370000032
滑模扰动观测器
Figure GDA0003171945370000033
由公式(6)给出：
Figure GDA0003171945370000034
在此滑模扰动观测器下，能够保证滑模扰动观测器
Figure GDA0003171945370000035
在有限时间内收敛到未知的外部扰动[li1，li2]，从而保证了非完整机器人在编队过程中的稳定性和鲁棒性；
将步骤(2)中的传感器实时采集到的位置数据传输到滑模扰动观测器中，使得非完整机器人实时调整自己的运动从而在既定的编队路线和位置进行工作。
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去抖控制算法基于滑模扰动观测器选择的参数简单、物理含义清晰；非完整机器人去抖控制算法中的计算是在编队任务开始前计算完成，编队过程中非完整机器人自动调整运动姿态，运动稳定性好，鲁棒性高。
附图说明
图1是非完整机器人编队任务示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法，包括下列步骤：
(1)、利用直角坐标系来刻画多个非完整机器人在平面中的编队运动；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 GDA0003171945370000041
公式(1)中，[xi,yi]T∈R2代表第i个非完整机器人在平面中的位置坐标，θi为第i个非完整机器人前进的速度方向与X轴正向的夹角，vi表示第i个非完整机器人前进直线速度，ωi表示第i个非完整机器人自转的角速度；τi1表示第i个非完整机器人的线速度力矩输入量；τi2表示第i个非完整机器人的角速度力矩输入量，[li1，li2]∈R为第i个非完整机器人在编队的过程中受到的不可测的外部干扰；
(2)、在非完整机器人上安装上用于传输位置信息和速度信息的传感器；直角坐标系下非完整机器人编队理想状态模型由公式(2)给出：
Figure GDA0003171945370000043
公式(2)中，di(t)是非完整机器人与编队旋转中心的实时距离；dρ是非完整机器人与编队旋转中心的理想距离；
Figure GDA0003171945370000044
是非完整机器人绕旋转中心旋转的实时转速；
Figure GDA0003171945370000045
是非完整机器人绕旋转中心旋转的理想转速；ψi(t)-ψj(t)是第i个非完整机器人与第j个非完整机器人绕旋转中心的角度偏差；γij是第i个非完整机器人与第j个非完整机器人绕旋转中心的理想角度偏差；
(3)、针对步骤(1)在整个非完整机器人编队运动前首先利用滑模扰动观测器的控制方法估计未知外部扰动，设计外部扰动观测器滑模面：
Figure GDA0003171945370000051
公式(3)中，[Li1,Li2]由公式(4)给出：
Figure GDA0003171945370000052
公式(4)中，各常数的定义以及取值范围由公式(5)给出：
Figure GDA0003171945370000053
滑模扰动观测器
Figure GDA0003171945370000054
由公式(6)给出：
Figure GDA0003171945370000055
在此滑模扰动观测器下，能够保证滑模扰动观测器
Figure GDA0003171945370000056
在有限时间内收敛到未知的外部扰动[li1，li2]，从而保证了非完整机器人在编队过程中的稳定性和鲁棒性；
将步骤(2)中的传感器实时采集到的位置数据传输到滑模扰动观测器中，使得非完整机器人实时调整自己的运动从而在既定的编队路线和位置进行工作。
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)

1.一种基于滑模观测器的非完整机器人去抖控制方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)、利用直角坐标系来刻画多个非完整机器人在平面中的编队运动；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 FDA0003155563740000011
公式(1)中，[xi,yi]T∈R2代表第i个非完整机器人在平面中的位置坐标，θi为第i个非完整机器人前进的速度方向与X轴正向的夹角，vi表示第i个非完整机器人前进直线速度，ωi表示第i个非完整机器人自转的角速度；τi1表示第i个非完整机器人的线速度力矩输入量；τi2表示第i个非完整机器人的角速度力矩输入量，[li1,li2]∈R为第i个非完整机器人在编队的过程中受到的不可测的外部干扰；
(2)、在非完整机器人上安装上用于传输位置信息和速度信息的传感器；直角坐标系下非完整机器人编队理想状态模型由公式(2)给出：
Figure FDA0003155563740000012
公式(2)中，di(t)是非完整机器人与编队旋转中心的实时距离；dρ是非完整机器人与编队旋转中心的理想距离；
Figure FDA0003155563740000013
是非完整机器人绕旋转中心旋转的实时转速；
Figure FDA0003155563740000014
是非完整机器人绕旋转中心旋转的理想转速；ψi(t)-ψj(t)是第i个非完整机器人与第j个非完整机器人绕旋转中心的角度偏差；γij是第i个非完整机器人与第j个非完整机器人绕旋转中心的理想角度偏差；
(3)、针对步骤(1)在整个非完整机器人编队运动前首先利用滑模扰动观测器的控制方法估计未知外部扰动，设计外部扰动观测器滑模面：
Figure FDA0003155563740000021
公式(3)中，[Li1,Li2]由公式(4)给出：
Figure FDA0003155563740000022
公式(4)中，各常数的定义以及取值范围由公式(5)给出：
Figure FDA0003155563740000023
滑模扰动观测器
Figure FDA0003155563740000024
由公式(6)给出：
Figure FDA0003155563740000025
在此滑模扰动观测器下，能够保证滑模扰动观测器
Figure FDA0003155563740000026
在有限时间内收敛到未知的外部扰动
Figure FDA0003155563740000027
从而保证了非完整机器人在编队过程中的稳定性和鲁棒性；
将步骤(2)中的传感器实时采集到的位置数据传输到滑模扰动观测器中，使得非完整机器人实时调整自己的运动从而在既定的编队路线和位置进行工作。
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