CN116382076B 一种针对受扰轮式移动机器人的双闭环有限时间控制方法 （北京交通大学）

一种针对受扰轮式移动机器人的双闭环有本发明实施例提供了一种针对受扰轮式移时间收敛的扩张状态观测器和固定时间动力学2针对轮式移动机器人独有的欠驱运动方式建立运动学模型，构造以所述运动学位姿跟踪误差模型中的位置子系统误差为滑动模态的非奇异终端针对所述位置子系统设计有限时间角速度控制器，针针对受扰轮式移动机器人的动力学模型，使用所述固定时间利用所述观测器和所述控制器控制受扰轮式移动机器人在有限时间内跟踪期望轨迹，对局部坐标系中对轮式移动机器人的非完整约束运动进行分析，建用Euler-Lagrange方法建立起以轮式移其中M为系统的惯性矩阵，V(q,q)为系统与位置和速度F(q)分别为系统的重力项和摩擦力项，τd为外部扰动项，B(q)为输入变换矩阵，AT(q)为3为求取输出力矩与机器人实时速度之间的关4=s(q)*v(s)不失一般性，假设轮式移动机器人在运动过程中车轮在运行表学模型解耦后得到轮式移动机器人的期望位姿信息，该期望位姿信息包括期望位姿角度将轮式移动机器人运动学层面的轨迹跟踪控制问题转化为控制实际机器人运动速度对所述运动学位姿跟踪误差模型求导得到移动机器人的轨4使用级联控制方法将运动学位姿跟踪误差模型分解为呈积分链形式的位置子系统和对具有欠驱运动方式的受扰轮式移动机器人的欠驱系统按照其结构特系统作为干扰子系统，将eθ作为级联中间项，对运动学位姿跟踪误差模型中的姿态子系统状态进行坐标变换，当构造以所述运动学位姿跟踪误差模型中的位置子系统误差为滑动模态的非奇异终端所述动力学模型的控制目标为：模型输出速度能够跟踪上运动学控制针对所述运动学位姿跟踪误差模型中的位置子系统设计有限针对所述运动学位姿跟踪误差模型中的姿态子系统设计非奇异终端滑模线速度控制5其中，0<α<1，k1,k2为合适的正常数且k1≤k2；其中wr,vr为参考线速度和角速度，针对受扰轮式移动机器人的动力学模型，使用所述固定时间使用所述固定时间积分滑模面设计固定时间动力学6所述有限时间角速度控制器和非奇异终端滑模线速度控制器组成运动学位姿误差的构造Lyapunov函数证明所述运动学位姿误差的构造Lyapunov函数证明所述动力学速度跟踪误差的分析整理得且在滑模面上得滑动模态有限时间趋于原点，所述分析整理得即任意跟踪误差状态在固定时间到达滑动模态，7复杂干扰进行前馈抵消并构造终端滑膜实现有限时[0005]本发明的实施例提供了一种针对受扰轮式移动机器人的双闭环有限时间控制方[0010]构造以所述运动学位姿跟踪误差模型中的位置子系统误差为滑动模态的非奇异[0013]利用所述观测器和所述控制器控制受扰轮式移动机器人在有限时间内跟踪期望84-s(q)*v(s)[0028]优选地，所述的利用所述运动学模型解耦后得到轮式移动机器人期望的位姿信9[0033]将轮式移动机器人运动学层面的轨迹跟踪控制问题转化为控制实际机器人运动r)T[0036]使用级联控制方法将运动学位姿跟踪误差模型分解为呈积分链形式的位置子系[0037]对具有欠驱运动方式的受扰轮式移动机器人的欠驱系统按照其结构特征进行解[0042]构造以所述运动学位姿跟踪误差模型中的位置子系统误差为滑动模态的非奇异[0054]针对所述运动学位姿跟踪误差模型中的姿态子系统设计非奇异终端滑模线速度>0；[0069]其中edynamic为虚拟速度控制律与动力学速度输出之间的偏差，a,α2,λ,μ,γ2,[0071]所述有限时间角速度控制器和非奇异终端滑模线速度控制器组成运动学位姿误[0074]分析整理得运动学环位姿子系统在固定时[0077]分析整理得且在滑模面上得滑动模态有限时间趋于原点，所述动力学速度跟踪误差的闭环系统在有限时间内[0081]分析整理得即任意跟踪误差状态在固定时间到达滑动模[0087]图1为本发明实施例提供的一种基于双闭环结构的受扰轮式移动机器人有限时间[0089]图3为本发明实施例提供的一种基于双闭环结构的受扰轮式移动机器人轨迹跟踪[0090]图4为本发明实施例提供的一种轮式移动机器人在局部坐标系下轨迹跟踪位姿误[0092]图6为本发明实施例提供的一种受扰轮式移动机器人跟踪圆形参考轨迹的实际轨[0093]图7为本发明实施例提供的一种受扰轮式移动机器人跟踪圆形参考轨迹位姿误差[0094]图8为本发明实施例提供的一种基于级联控制结构的的运动学控制器输出速度与[0095]图9为本发明实施例提供的一种有限时间扩张状态观测器对系统中集总扰动的估[0096]图10为本发明实施例提供的一种基于有限时间扩张状态观测器的固定时间积分滑膜控制器控制下的动力学模型跟踪虚拟速[0097]图11为本发明实施例提供的一种受扰轮式移动机器人的动力学环控制器的两轮语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该[0102]本发明实施例提供的基于双闭环控制结构的非奇异终端滑膜控制方法可以用于[0105]运动学模型和动力学模型的联系是：因为轮式移动机器模型中要使用消元法消去动力学方程中非独立的广义坐标积分项，所以在步骤1中会对轮器人的局部速度与两轮输出转矩与之间的简化分析动[0108]先针对运动学模型的位置子系统设计以位置误差为状态变量的非奇异终端滑模设计有限时间收敛的扩张状态观测器和固定时间动力学环速度最终是通过控制两个驱动轮上的电机的转矩实现机器人的轨迹跟踪4=s(q)*p(s)[0131]移动机器人运动学层面的轨迹跟踪控制问题可以转化为控制实际机器人运动速00000分别是固定时间控制器待设计参数。[0166]其中edynamic为虚拟速度控制律与动力学速度输出之间的偏差，a,α2,λ,μ,γ2,[0173]分析整理得且在滑模面上得滑动模态有限时间趋于原点，[0176]分析整理得即任意跟踪误差状态在固定时间到达滑动模使动力学模型速度跟踪误差固定时间收敛至0；因此本专利设计的双闭环结构的轨迹跟踪[0186]图6展示了在本发明方法下轮式移动机器人能够从任意位置跟踪上期望轨迹，拟出的虚拟控制律与期望速度曲线，图9展示了设计的有限时间扩张状态观测器对系统集总扰动的轨迹效果曲线，图10展示了移动机器人动力学层面跟踪虚拟速度控制律的效果曲控制器输出的两轮上电机的输出转矩，可得所提出的方法的控制量不会出现任何奇异值。[0188]综上所述，本发明实施例提供了一种同时考虑轮式机器人的运动学和动力学模任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，