一種基于cmac和pid的全向移動機器人及移動控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種移動機器人及控制方法，特別是一種基于CMAC和PID的全向移動 機器人及移動控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 輪式移動機器人具有運行靈活、穩(wěn)定可靠、承載能力強等優(yōu)點，已成功并廣泛地應(yīng) 用于工業(yè)、倉儲物流、服務(wù)業(yè)等諸多領(lǐng)域。本發(fā)明的全向移動機器人能集全向移動和機械手 搬運功能于一體，主要由全向移動底盤和六自由度機械手兩大部分組成，通過相互協(xié)調(diào)配 合來完成指定物體的夾持、移位及搬運的功能。其中，全向移動底盤具有平面內(nèi)的三個自由 度，可以實現(xiàn)縱向移動、橫向側(cè)移、原地旋轉(zhuǎn)等基本運動以及任意組合的復雜運動，能較好 地克服普通輪式移動機器人無法橫向側(cè)移和原地旋轉(zhuǎn)的缺陷，尤其適合在狹小作業(yè)空間、 障礙較多以及需要頻繁轉(zhuǎn)向和精確定位的環(huán)境內(nèi)運行，具有廣闊的發(fā)展前景。
[0003] 由于麥克納姆輪對地面要求較高，機器人在實際運行過程中，輥子與地面的接觸 情況會受到地面實際狀況的影響，當?shù)孛鏍顩r不斷變化時，機器人必須實時作出反應(yīng)，通過 在線自動調(diào)整相關(guān)運動控制參數(shù)，才能保證其運動精度和運行平穩(wěn)性。因此，全向移動機器 人對響應(yīng)實時性、運動控制精度及穩(wěn)定性都有較高要求。目前，應(yīng)用于移動機器人運動的控 制算法主要是常規(guī)PID控制以及模糊自適應(yīng)PID控制。
[0004] 中國發(fā)明專利[申請?zhí)?0呢01410725687.5申請日2014.12.02]公開了一種全向機 器人的改進PID控制算法，此算法雖控制簡單，但其隨動性較差，當機器人運行環(huán)境地面不 夠平坦時，其控制精度往往達不到要求。中國發(fā)明專利[【申請?zhí)枴緾N201110287320.6.5申請 日2011.09.26]公開了一種機器人的模糊PID控制算法，它雖然能夠根據(jù)機器人實際地面的 變化而在線自動修改PID的三個參數(shù)，但因其程序較為復雜，可能會影響到移動機器人的響 應(yīng)實時性，尤其在機器人運行速度較快時，可能會因車體的慣性，而導致全向機器人小車瞬 間偏離預先規(guī)劃好的運動軌跡。故上述兩種控制算法都不太適合全向移動機器人小車在運 動環(huán)境不夠理想、影響因素不完全確定等復雜條件下的實時控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于CMAC和 PID的全向移動機器人的移動控制方法，該基于CMAC和PID的全向移動機器人的移動控制方 法能克服以往控制算法無法兼顧精度、響應(yīng)實時性和穩(wěn)定性的缺陷，實現(xiàn)全方位移動機器 人在環(huán)境不夠理想、影響因素不完全確定等復雜條件下的實時高精度控制。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于CMAC和PID的全向移動機器人的移動控制方法，包括如下步驟：
[0008] 第一步，CMAC結(jié)構(gòu)設(shè)計:根據(jù)機器人輪組的給定速度，進行CMAC結(jié)構(gòu)設(shè)計;CMAC結(jié) 構(gòu)包括輸入狀態(tài)空間S、概念存儲器A、實際存儲器A1和CMAC輸出值u。。
[0009] 第二步，給定速度分量輸入:將機器人輪組的給定速度以無線或有線的方式傳送 給機器人的主控制器，其中，給定速度包括車輪沿x、y方向的線速度以及車輪繞z軸的旋轉(zhuǎn) 角速度;主控制器按照逆運動學控制模型，將接收的給定速度轉(zhuǎn)化為多個車輪的轉(zhuǎn)動速度。
[0010] 第三步，主控制器開始作用：主控制器為CMAC和PID聯(lián)合控制器;此時，將主控制器 中CMAC的輸出設(shè)置為零，主控制器將以PID方式驅(qū)動電機帶動車輪轉(zhuǎn)動，主控制器第一次總 輸出值等于PID輸出值。
[0011] 第四步，車輪轉(zhuǎn)速誤差計算:通過光電編碼器對第三步中各車輪轉(zhuǎn)動時的實際速 度進行檢測，并反饋給主控制器;主控制器將接收的實際速度與轉(zhuǎn)化后的給定速度進行對 比，并計算出車輪轉(zhuǎn)速誤差。
[0012] 第五步，CMAC和PID聯(lián)合控制：主控制器將第四步計算的轉(zhuǎn)速誤差送入控制單元， 此時，主控制器將采用CMAC和PID聯(lián)合控制的方式，利用第三步中的PID輸出值在線訓練 CMAC中的連接權(quán)值，CMAC根據(jù)接收的轉(zhuǎn)速誤差以及訓練后的連接權(quán)值，得到CMAC輸出值， PID也根據(jù)接收的轉(zhuǎn)速誤差得到一個新的PID輸出值;主控制器第二次總輸出值等于CMAC輸 出值與新的PID輸出值之和，主控制器按照第二次總輸出值對多個車輪的實際速度進行調(diào) 整與控制。
[0013] 第六步，車輪轉(zhuǎn)速誤差再次計算:光電編碼器對調(diào)整后的實際速度進行再次檢測， 并反饋給主控制器;主控制器按照第三步方法對車輪轉(zhuǎn)速誤差進行再次計算。
[0014] 第七步，CMAC和PID再次聯(lián)合控制:主控制器將第六步再次計算的轉(zhuǎn)速誤差再次送 入控制單元，并按照第五步方法，利用第五步中新的PID輸出值在線訓練CMAC中的連接權(quán) 值，并得到主控制器第三次總輸出值，主控制器按照第三次總輸出值對多個車輪的實際速 度進行調(diào)整與控制。
[0015] 第八步，重復第六步與第七步，直至轉(zhuǎn)速誤差為零，停止調(diào)整。
[0016] 所述第一步中，CMAC結(jié)構(gòu)設(shè)計步驟如下：
[0017]步驟1，從輸入狀態(tài)空間S至概念存儲器A的概念映射:將輸入空間S在區(qū)間[Si，& ] 上分成N+2C個量化IS!隔，縣體分法為，
[0018] ⑴
[0019] 上述(1)式中，d為概念存儲器A內(nèi)的存儲值；
[0020] 步驟2,實際映射:CMAC采用如下的雜散編碼方法實現(xiàn)實際映射關(guān)系：
[0021] - (2)
[0022]上述(2)式中，ai為CMAC中實際存儲器A1內(nèi)的一個指針，每個指針內(nèi)均存儲著相應(yīng) 的連接權(quán)值;Sk為第k個輸入樣本值；
[0023] 步驟3, CMAC的輸出uc(k)為：
[0024] (3)
[0025] 上述(3)式中，udk)為CMAC的第k次輸出值;Wi為CMAC中實際存儲器A1內(nèi)的第i個連 接權(quán)值;c為泛化參數(shù)。
[0026] 所述第五步和第七步中，CMAC和PID聯(lián)合控制的調(diào)整目標為：
[0027]
C4)
[0028] 上述(4)式中，E(k)為CMAC和PID聯(lián)合控制的調(diào)整目標;u(k)為主控制器的第k次總 輸出值;c為泛化系數(shù)。
[0029] 所述第五步和第七步中，采用梯度下降法，利用PID輸出值在線訓練CMAC中的連接 權(quán)值，梯度下降法的調(diào)整規(guī)則為：
(5)
[0030]
[0031] 上述(5)式中，w(k)或w(k-l)為CMAC中實際存儲器A1內(nèi)的第k或k-Ι個連接權(quán)值;η 為學習率，0〈η〈1 ;α為動量因子。
[0032] 所述第二步中，全向移動機器人的車輪為四個，每個車輪均為麥克納姆輪;所述逆 運動學控制模型為：
[0033]
[0034] 式中，ωι、ω2、ω3和ω4為按照逆運動學控制模型，將給定速度轉(zhuǎn)化成的四個車輪 的轉(zhuǎn)動速度;V X為給定的沿X方向的線速度;Vy為給定的沿y方向的線速度；ω ζ為給定的車輪 繞Ζ軸的旋轉(zhuǎn)角速度;W為四輪輪距的二分之一;L為軸距的二分之一。
[0035] 另外，本發(fā)明還提供一種基于CMAC和PID的全向移動機器人，該基于CMAC和PID的 全向移動機器人能集全向移動和機械手搬運功能于一體，其機械結(jié)構(gòu)采用了四輪全向移動 底盤與六自由度機械手相結(jié)合的形式，尤其適合在狹小作業(yè)空間以及需要頻繁轉(zhuǎn)向和精確 定位的環(huán)境內(nèi)，完成指定物體的夾持、移位及搬運等功能。
[0036] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0037] -種基于CMAC和PID的全向移動機器人，包括全向移動底盤和位于全向移動底盤 上的六自由度機械手，全向移動底盤包括車架、位于車架底部四周的四個麥克納姆輪、麥克 納姆輪驅(qū)動裝置和控制器，麥克納姆輪驅(qū)動裝置包括直流電機、主控制器和編碼器，其中， 主控制器為CMAC和PID聯(lián)合控制器，能實現(xiàn)速度閉環(huán)控制;編碼器能檢測麥克納姆輪轉(zhuǎn)動的 實際速度。
[0038] 還包括遙控終端，遙控終端為手機。
[0039] 所述控制器包括通過CAN總線進行通訊的主控制器和從控制器，其中，主控制器用 于接收遙控終端發(fā)送過來的