CN116512259A - 一种换电机器人机械臂跟踪控制方法、装置、存储介质及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换电机器人机械臂跟踪控制方法、装置、存储介质及电子设备，该方法包括：建立换电机器人轨迹跟踪控制模型；基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律；将所设计的滑模函数及滑模趋近律带入换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率；采用该迹跟踪控制率对换电机器人机械臂进行控制。本发明提出一种新型滑模趋近律，能够在提升收敛速度的同时较小系统抖振，并给出其收敛时间；本发明方法能够进一步提高换电机器人机械臂的动态性能和收敛速度，对提高工作效率和节省劳动力有重要意义。

Description

一种换电机器人机械臂跟踪控制方法、装置、存储介质及电子 设备

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种换电机器人机械臂跟踪控制方法、装置、存储介质及电子设备。

背景技术

当前乘用车换电车型和换电电池包种类繁多，换电时间长，换电站无法对多车型和多型号电池包实现一站式快换，难以满足用户和运营商要求。因此，如何实现多品牌/多车型/多型号电池包的共享换电是一个共性难题。通用型换电机器人机械臂的端部设有电池包加解锁装置，通过视觉传感器的图像信息，快速定位电池包锁扣的坐标，可实现精准定位，快速规划，路径跟踪控制，自动加解锁，可以有效解决电池包尺寸不一导致多型号兼容性换电难题。

通用型换电机械臂是一个多输入多输出系统，具有高非线性，强动态耦合，参数摄动和未知干扰等不良特性。机械臂的跟踪控制是近年来的研究重点和难点。然而，目前有关机械臂的轨迹跟踪控制仍存在着复杂的问题，滑模控制是解决这类问题的主要方法之一。但是，换电机器人跟踪控制仍然面临以下难点。第一：抖震问题无可避免，只能在一定程度上削弱它到一定的范围，这成为滑模变结构控制在实际系统中应用的突出障碍。第二：一般滑模控制器仅能保证渐进稳定，但是渐近稳定意味着闭环系统状态当时间趋于无穷大时才能收敛到平衡点，不能很好满足实际工程当中需要快速稳定的要求。第三：有限时间收敛的时间依赖于闭环系统状态的初始值，收敛时间会随着初始状态的变化而变化。目前常用的换电机器人轨迹跟踪控制方法未设计合适的滑模趋近律来减小抖振，缩短系统的响应时间。这些难点使得换电机器人机械臂轨迹跟踪控制成为一项极具挑战的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种换电机器人机械臂跟踪控制方法、装置、存储介质及电子设备，基于一种新型的趋近律设计滑模控制器，对换电机器人机械臂进行跟踪控制，能进一步提高机械臂的动态性能和收敛速度。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明一方面提供一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，包括：

建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型；

基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律；

将所述滑模函数及滑模趋近律带入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率；

采用所述轨迹跟踪控制率对换电机器人机械臂进行控制。

进一步的，所述建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型，包括：

建立换电机器人二关节机械臂的动力学模型：

其中，分别为机械臂的位置、角速度和角加速度，对于二关节机械臂存在q＝[q₁,q₂]^T，q₁,q₂分别为机械臂关节1和关节2当前的角度，M(q)为机械臂的惯性矩阵，/>为离心力和哥氏力矩阵，G(q)为机械臂的重力矢量，/>为摩擦力构成的矩阵，τ_d为外加扰动矩阵，满足|τ_d|≤d，d为外加扰动上界，τ为机械臂轨迹跟踪控制律。

进一步的，所述基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律，包括：

基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数如下：

其中，σ为滑模函数，e为跟踪误差，p＞r＞0为正奇数，κ₁＞0,κ₂＞0为常数；

跟踪误差定义为：

e＝q_d-q；

其中，为跟踪误差的一阶导数，/>为跟踪误差的二阶导数，q_d为机械臂的期望轨迹，

对于二关节机械臂，存在e＝[e₁,e₂]^T，q_d＝[q_d1,q_d2]^T，e₁,e₂分别为机械臂关节1和关节2的跟踪误差，q_d1,q_d2分别为机械臂关节1和关节2的期望轨迹；

所述滑模趋近律设计为：

其中，为滑模趋近律，S为滑模面，α、η、γ、k和ν均为滑模参数，满足：0＜α＜1，η+γ＜1，μ＝ν|σ(0)|^1-α，σ(0)为滑模函数的初始值，k,ν为正数；

对于二关节机械臂，存在：

S＝[σ₁,σ₂]^T；

σ₁、σ₂分别为机械臂关节1和关节2的滑模函数。

进一步的，将所述滑模函数及滑模趋近律带入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率，包括：

对所述滑模面进行一阶求导，得到：

其中，diag{·}表示对角矩阵；

将所述跟踪误差的二阶导数、所述滑模面的一阶导数，以及所述滑模趋近律代入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到：

设计鲁棒项τ_r＝Dsign(S)，代替所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中的外加扰动矩阵τ_d，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率：

进一步的，所述方法还包括，采用Lyapunov函数验证所述轨迹跟踪控制率的有限时间收敛性，

所述Lyapunov函数选取为：

本发明第二方面提供一种换电机器人机械臂跟踪控制装置，用于实现前述的换电机器人机械臂控制方法，所述装置包括：

模型构建模块，用于建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型；

参数设计模块，用于基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律；

计算模块，用于将所述滑模函数及滑模趋近律带入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率；

控制模块，用于采用所述轨迹跟踪控制率对换电机器人机械臂进行控制。

本发明第三方面提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据前述的方法中的任一方法。

本发明第四方面提供一种电子设备，包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据前述的方法中的任一方法的指令。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明提供一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，设计了一种新型滑模趋近律，能够在提升收敛速度的同时较小系统抖振。

(2)、基于本发明设计的新型滑模趋近律设计的滑模控制器，与传统的滑模控制器相比，具有控制连续性，并进一步降低了抖震问题；同时，能在有限时间内稳定收敛，具有更高的跟踪精度。

附图说明

图1为本发明提供的一种换电机器人机械臂跟踪控制方法流程图；

图2为本发明实施例中给出的三种趋近律的滑模控制下两关节机械臂位置跟踪控制图；

图3为本发明实施例中给出的三种趋近律的滑模控制下两关节机械臂速度跟踪控制图；

图4为本发明实施例中给出的三种趋近律的滑模控制下两关节机械臂控制输入。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明提供一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，参见图1，包括：

建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型；

基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律；

将所设计的滑模函数及滑模趋近律带入所建立的换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率；

采用所得到的轨迹跟踪控制率对换电机器人机械臂进行控制。

本发明的一个实施例中，建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型，具体过程如下：

采用拉格朗日方法等动力学方法建立换电机器人二关节机械臂的动力学模型：

式中，分别为机械臂的位置、角速度、角加速度，对于二关节机械臂存在q＝[q₁,q₂]^T，q₁,q₂分别为两个关节当前的角度，M(q)为机械臂的惯性矩阵，/>为离心力和哥氏力矩阵，G(q)为机械臂的重力矢量，/>为摩擦力构成的矩阵，τ_d为外加扰动构成的矩阵，一般地假设该外加扰动具有上界，即：|τ_d|≤d，τ为机械臂轨迹跟踪控制律。

针对二自由度机械臂，忽略其关节质量，两个连杆的质量分别为m₁,m₂，连杆的长度分别为l₁,l₂，q₁,q₂分别为两个关节当前的角度。

二自由度机械臂的参数矩阵为：

其中，

ξ₁、ξ₂分别为机械臂关节1和关节2的摩擦系数。

本发明的一个实施例中，基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律，具体实现过程如下：

设计滑模函数如下：

其中，σ为滑模函数，p＞r＞0为正奇数，κ₁＞0,κ₂＞0为常数，e为跟踪误差；

跟踪误差定义为：

e＝q_d-q＝[e₁,e₂]^T (7)

这里，e为跟踪误差，为跟踪误差的一阶导数，/>为跟踪误差的二阶导数，q_d为机械臂的期望轨迹，

对于二关节机械臂，存在e＝[e₁,e₂]^T，q_d＝[q_d1,q_d2]^T，e₁,e₂分别为机械臂关节1和关节2的跟踪误差，q_d1,q_d2分别为机械臂关节1和关节2的期望轨迹；

设计滑模面如下：

其中，S为滑模面，

S的一阶导数为：

其中，diag{·}表示对角矩阵；

基于滑模面设计滑模趋近律如下：

其中，0＜α＜1，η+γ＜1，μ＝ν|σ(0)|^1-α，σ(0)为滑模函数的初始值，k,ν为正数。

进一步的，对所设计的滑模趋近律的有限时间收敛验证如下：

对所设计的滑模趋近律进行积分，得到：

滑模函数σ到达滑模面的时间为t_r，对式(13)从0到t_r积分可得：

其中，第二个定积分求解为：

可以得到，趋近时间为：

可见，所设计的趋近律可以在有限时间内到达。

本发明的一个实施例中，将所设计的滑模函数及滑模趋近律带入所建立的换电机器人轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率，具体如下：

将跟踪误差的二阶导数式(9)、滑模面的一阶导数式(11)，以及滑模趋近律式(12)代入换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型式(1)中，得到：

设计鲁棒项τ_r＝Dsign(S)代替外加扰动矩阵τ_d，其中D＞d，D表示干扰上界，

得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制律为：

对上述跟踪控制律的有限时间收敛性质进行验证如下：

选择Lyapunov函数为：

对其求导，可得：

由式(11)可以计算：

将式(18)和式(1)代入上式，可以得到：

由于外部干扰有上界值|τ_d|≤d，而且D≥d。因此,-Dsign(S)+τ_d≤0。由此可得：

这里，

λ_max表示M(q)最大的特征值。

明显地，所设计的控制律式(18)可以在有限时间T₁内收敛到零。

当系统在滑模运动的情况下，σ₁＝0，此时：

对式(24)求导后，可以得到：

由上可知，式(25)是全局有限时间收敛到平衡点。

本发明的一个实施例中，采用本发明所提的新型趋近律设计滑模控制器，对换电机器人机械臂进行跟踪控制，并与传统的指数趋近律和幂次趋近律设计滑模控制器进行对比。

机械臂模型参数为：m₁＝50,m₂＝125,l₁＝1.2,l₂＝2.0,ξ₁＝ξ₂＝12,g＝9.81。滑模控制器各参数为：α＝0.6,γ＝0.4,η＝0.4,ν＝1,p＝9,r＝7,κ₁＝3,κ₂＝1,k＝2。

根据幂次趋近律、指数趋近律和本发明所提的新型趋近律，分别设计二自由度机械臂的滑模控制器。其中，施加的外部干扰设置为τ_d＝[2sin(2πt)；3cos(2πt)]。

图2和图3分别为采用三种趋近律设计滑模控制器，对换电机器人机械臂进行跟踪控制的位置跟踪轨迹和速度跟踪轨迹，可以看出，本发明所提的新型趋近律位置跟踪的均方根误差为[0.0571,1.4328]，而指数趋近律和幂次趋近律的均方根误差分别为[0.0738,1.4208]，[0.0635,1.4288]。可见，本发明方法所的新型趋近律的滑模跟踪控制方法具有更高的跟踪精度。

图4为控制输入，可以看出发明所设计的滑模趋近律可以减小抖振现象。

本发明第二方面还提供一种换电机器人机械臂跟踪控制装置，用于实现上述的换电机器人机械臂控制方法，该装置包括：

模型构建模块，用于建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型；

参数设计模块，用于基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律；

计算模块，用于将所述滑模函数及滑模趋近律带入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率；

控制模块，用于采用所述轨迹跟踪控制率对换电机器人机械臂进行控制。

值得指出的是，该装置实施例是与上述方法实施例对应的，上述方法实施例的实现方式均适用于该装置实施例中，并能达到相同或相似的技术效果，故不在此赘述。

本发明第三方面还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述的换电机器人机械臂控制方法。

本发明第四方面还提供一种电子设备，包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述的换电机器人机械臂控制方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，其特征在于，包括：

建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型；

基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律；

将所述滑模函数及滑模趋近律带入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率；

采用所述轨迹跟踪控制率对换电机器人机械臂进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型，包括：

建立换电机器人二关节机械臂的动力学模型：

其中，分别为机械臂的位置、角速度和角加速度，对于二关节机械臂存在q＝[q₁,q₂]^T，q₁,q₂分别为机械臂关节1和关节2当前的角度，M(q)为机械臂的惯性矩阵，/>为离心力和哥氏力矩阵，G(q)为机械臂的重力矢量，/>为摩擦力构成的矩阵，τ_d为外加扰动矩阵，满足|τ_d|≤d，d为外加扰动上界，τ为机械臂轨迹跟踪控制律。

3.根据权利要求2所述的一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律，包括：

基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数如下：

其中，σ为滑模函数，e为跟踪误差，p＞r＞0为正奇数，κ₁＞0,κ₂＞0为常数；

跟踪误差定义为：

e＝q_d-q；

其中，为跟踪误差的一阶导数，/>为跟踪误差的二阶导数，q_d为机械臂的期望轨迹，

对于二关节机械臂，存在e＝[e₁,e₂]^T，q_d＝[q_d1,q_d2]^T，e₁,e₂分别为机械臂关节1和关节2的跟踪误差，q_d1,q_d2分别为机械臂关节1和关节2的期望轨迹；

所述滑模趋近律设计为：

其中，为滑模趋近律，S为滑模面，α、η、γ、k和ν均为滑模参数，满足：0＜α＜1，η+γ＜1，μ＝ν|σ(0)|^1-α，σ(0)为滑模函数的初始值，k,ν为正数；

对于二关节机械臂，存在：

S＝[σ₁,σ₂]^T；

σ₁、σ₂分别为机械臂关节1和关节2的滑模函数。

4.根据权利要求3所述的一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，其特征在于，将所述滑模函数及滑模趋近律带入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率，包括：

对所述滑模面进行一阶求导，得到：

其中，diag{·}表示对角矩阵；

将所述跟踪误差的二阶导数、所述滑模面的一阶导数，以及所述滑模趋近律代入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到：

设计鲁棒项τ_r＝Dsign(S)，代替所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中的外加扰动矩阵τ_d，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率：

5.根据权利要求4所述的一种换电机器人机械臂跟踪控制方法，其特征在于，所述方法还包括，采用Lyapunov函数验证所述轨迹跟踪控制率的有限时间收敛性，

所述Lyapunov函数选取为：

6.一种换电机器人机械臂跟踪控制装置，其特征在于，用于实现权利要求1至5任意一项所述的换电机器人机械臂跟踪控制方法，所述装置包括：

模型构建模块，用于建立换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型；

参数设计模块，用于基于机械臂的跟踪误差设计滑模函数及滑模趋近律；

计算模块，用于将所述滑模函数及滑模趋近律带入所述换电机器人机械臂轨迹跟踪控制模型中，得到换电机器人机械臂轨迹跟踪控制率；

控制模块，用于采用所述轨迹跟踪控制率对换电机器人机械臂进行控制。

7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法。

8.一种电子设备，其特征在于，包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法的指令。