專利名稱：一種基于人工場(chǎng)的軌跡跟蹤控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種軌跡跟蹤控制方法，尤其是涉及一種基于人工場(chǎng)的軌跡跟蹤控制方法。
背景技術(shù)：
非完整移動(dòng)機(jī)器人之所以成為研究熱點(diǎn)，成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)，主要有三個(gè)方面的原因其一，是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展、人類進(jìn)步的需要。移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，包括國(guó)防工業(yè)、制造業(yè)、輕重工業(yè)以及服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域；其二，目前國(guó)內(nèi)外高端技術(shù)領(lǐng)域的市場(chǎng)需求也是促使移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的客觀因素與潛在動(dòng)力，比如星際探索(火星探索和月球探索) 等，海洋開發(fā)(資源調(diào)查、石油礦藏開采和沉船打撈等)；其三，移動(dòng)機(jī)器人研究的快速發(fā)展也是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域交叉互促的結(jié)果。移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及圖像實(shí)時(shí)處理、計(jì)算機(jī)視覺、傳感器技術(shù)、人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)并行處理技術(shù)、機(jī)械學(xué)等多學(xué)科理論與技術(shù)，體現(xiàn)了信息科學(xué)和人工智能技術(shù)的最新成果。這些學(xué)科為移動(dòng)機(jī)器人在未知或動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)時(shí)控制開辟道路。非完整移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為眾多高新技術(shù)的產(chǎn)物，同時(shí)也為其它技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用場(chǎng)所。非完整移動(dòng)機(jī)器人一般工作在動(dòng)態(tài)的、未知的復(fù)雜環(huán)境中，應(yīng)該具有完全自主性甚至高度智能性，不需要任何人為干預(yù)就可以完成各種高級(jí)任務(wù)比如決策、導(dǎo)航、漫游、地圖構(gòu)建等等。但出于安全的考慮，在必要的情況下，特別是機(jī)器人自身的決策規(guī)劃單元已經(jīng)無(wú)效的情況下，人可以直接對(duì)非完整移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，具體控制非完整移動(dòng)機(jī)器人的各種行為。利用非完整移動(dòng)機(jī)器人自主完成各種任務(wù)，要解決一系列問題，主要包括體系結(jié)構(gòu)問題、環(huán)境建模與信息處理問題、定位問題、路徑規(guī)劃問題、運(yùn)動(dòng)控制問題。其中，運(yùn)動(dòng)控制問題是非完整移動(dòng)機(jī)器人研究中最基本最重要的問題，也是機(jī)器人學(xué)中只有依靠控制理論才能予以解決的問題。非完整移動(dòng)機(jī)器人最大的特點(diǎn)之一，就是其特有的空間運(yùn)動(dòng)能力，所以不解決運(yùn)動(dòng)控制問題，無(wú)論采取怎樣的體系結(jié)構(gòu)，最終都無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)各種決策意圖和規(guī)劃任務(wù)。從控制理論的角度出發(fā)，對(duì)于控制系統(tǒng)而言，控制問題的理論研究主要包括兩方面內(nèi)容，一是控制系統(tǒng)分析問題，一是控制系統(tǒng)綜合問題，研究的前提是已知控制對(duì)象模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。獲得控制對(duì)象模型的方法有機(jī)理建模和統(tǒng)計(jì)建模，機(jī)理建模是利用已知的物理原理建立對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，統(tǒng)計(jì)建模是采用參數(shù)估計(jì)和系統(tǒng)辨識(shí)的方法獲得對(duì)象模型。在分析問題中，根據(jù)已知的控制輸入作用，來(lái)確定控制系統(tǒng)的定性行為(能控性、能觀測(cè)性、穩(wěn)定性等)以及定量的變化規(guī)律。在綜合問題中，恰好與分析問題相反，根據(jù)所期望的受控系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式或某些性能指標(biāo)，來(lái)確定需要施加于控制對(duì)象的控制輸入作用即控制律。移動(dòng)機(jī)器人的控制問題可以分為三種對(duì)固定點(diǎn)的鎮(zhèn)定問題；含有時(shí)間參數(shù)的軌跡跟蹤問題；不含時(shí)間參數(shù)的幾何路徑跟蹤問題。這三個(gè)基本問題本質(zhì)上屬于控制系統(tǒng)綜合問題范疇，研究的都是控制器設(shè)計(jì)問題，即尋求某種控制律，使非完整移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)能夠鎮(zhèn)定到某個(gè)期望點(diǎn)、跟隨到某條期望路徑或跟蹤到某條期望軌跡。在根據(jù)某種控制理論設(shè)計(jì)出了運(yùn)動(dòng)控制律之后，還要給出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性證明，這屬于控制系統(tǒng)分析問題。本設(shè)計(jì)主要研究機(jī)器人軌跡跟蹤問題。路徑跟蹤與軌跡跟蹤同屬于跟蹤問題范疇，直觀上看，區(qū)別僅在于描述路徑和軌跡的曲線方程本身是不是時(shí)間的函數(shù)。從控制器設(shè)計(jì)的角度看，理論上講路徑跟隨問題要比軌跡跟蹤問題容易，但由于時(shí)間因素的介入，兩者不能等同。不過(guò)，從現(xiàn)有的各種非完整移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)實(shí)驗(yàn)來(lái)看，落實(shí)到程序上采用的都是計(jì)算機(jī)控制，每隔一定時(shí)間進(jìn)行一次采樣，所以路徑跟蹤問題的期望路徑方程實(shí)質(zhì)上仍是時(shí)間的隱函數(shù)而且，從這個(gè)意義上看，可以用軌跡跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤的控制目的，即把期望路徑加入時(shí)間因素后重新定義成期望軌跡，因此，本設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)主要是軌跡跟蹤。軌跡跟蹤，是指根據(jù)某種控制理論，為非完整移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)控制輸入即控制律，使非完整移動(dòng)機(jī)器人能夠到達(dá)并最終以給定的速度跟蹤運(yùn)動(dòng)平面上給定的某條與時(shí)間呈函數(shù)關(guān)系的軌跡。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、通用性強(qiáng)的基于人工場(chǎng)的軌跡跟蹤控制方法。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于人工場(chǎng)的軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟I)開啟運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，控制計(jì)算機(jī)與機(jī)器人連接，判斷是否成功連接，若為是，執(zhí)行步驟2)，若為否，繼續(xù)執(zhí)行步驟I)；2)機(jī)器人對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行初始化，并將起始位姿Ptl發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；3)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的最終期望位姿P1 和起始位姿Pci,計(jì)算方向角控制律w = f (W)和線速度控制律V = f (V),并將其發(fā)送給機(jī)器人；4)機(jī)器人根據(jù)方向角控制律w = f (W)和線速度控制律V = f (V)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作， 動(dòng)作完后，將最終實(shí)際位姿P發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；5)控制計(jì)算機(jī)比較最終期望位姿!^與最終實(shí)際位姿p，得到位姿誤差pe，判斷該位姿誤差Pe是否小于設(shè)定值，若為是，認(rèn)為該系統(tǒng)合格，若為否，調(diào)整方向角控制律W = f(w) 和線速度控制律V = f (V)的正控制參數(shù)后返回步驟4)。所述的方向角控制律w = f (W)和線速度控制律V = f(v)的計(jì)算過(guò)程如下 當(dāng)Xe = O時(shí)，可以得出以下方程組
權(quán)利要求
1.一種基于人工場(chǎng)的軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)開啟運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，控制計(jì)算機(jī)與機(jī)器人連接，判斷是否成功連接，若為是，執(zhí)行步驟2)，若為否，繼續(xù)執(zhí)行步驟I)；2)機(jī)器人對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行初始化，并將起始位姿Ptl發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；3)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的最終期望位姿P1 和起始位姿Pd，計(jì)算方向角控制律W= f (W) 和線速度控制律V = f(V)，并將其發(fā)送給機(jī)器人；4)機(jī)器人根據(jù)方向角控制律w= f (w)和線速度控制律V = f (V)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，動(dòng)作完后，將最終實(shí)際位姿P發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；5)控制計(jì)算機(jī)比較最終期望位姿與最終實(shí)際位姿p，得到位姿誤差pe，判斷該位姿誤差Pe是否小于設(shè)定值，若為是，認(rèn)為該系統(tǒng)合格，若為否，調(diào)整方向角控制律w = f (W)和線速度控制律V = f (V)的正控制參數(shù)后返回步驟4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于人工場(chǎng)的軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，所述的方向角控制律W = f (w)和線速度控制律V = f (v)的計(jì)算過(guò)程如下當(dāng)X6 = O時(shí)，可以得出以下方程組
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于人工場(chǎng)的軌跡跟蹤控制方法，包括以下步驟1)開啟運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，控制計(jì)算機(jī)與機(jī)器人連接，判斷是否成功連接，若為是，執(zhí)行步驟2)；2)機(jī)器人對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行初始化，并將起始位姿p0發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；3)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的最終期望位姿pr和起始位姿p0，計(jì)算方向角控制律w＝f(w)和線速度控制律v＝f(v)，并將其發(fā)送給機(jī)器人；4)機(jī)器人根據(jù)方向角控制律w＝f(w)和線速度控制律v＝f(v)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，動(dòng)作完后，將最終實(shí)際位姿p發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)；5)控制計(jì)算機(jī)比較最終期望位姿pr與最終實(shí)際位姿p，得到位姿誤差pe，判斷該位姿誤差pe是否小于設(shè)定值，若為是，認(rèn)為該系統(tǒng)合格。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05D1/02GK102608997SQ20111002678
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者丁貢獻(xiàn), 楊文瑞, 王祝萍 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)