一種移動機器人運動高精度控制方法
2023-06-01 18:35:16
專利名稱：一種移動機器人運動高精度控制方法
技術領域：
本發明屬於自動控制領域，尤其涉及一種移動機器人運動的高精度控制方法。
背景技術：
為了獲得多軸的協調控制，傳統的輪式移動機器人運動控制方法是採用分布式控制，每個控制軸採用獨立的高性能伺服控制器，相互之間的交互通過傳感器反饋信號由上層運動規劃器來進行協調。然而，單軸良好的跟蹤控制性能並不能保證多軸協調控制所產生路徑的精度。儘管大部分控制器的設計是在最優的條件下進行，但應用到實際系統時，則由於模型誤差和幹擾而導致難以達到期望的響應。對於兩輪差分驅動的輪式移動機器人來說，傳統的運動控制器對左輪和右輪分別設定其參考速度命令。通常情況下，經過短暫的動態調節過程，伺服電機都可以跟蹤上設定的速度命令。如果控制閉環設計合理，輪子一直保持在設定速度。然而，由於外部負載幹擾以及打滑等現象，將導致輪子速度產生瞬態波動，這樣，將導致輪子不能夠一直保持在設定的速度，從而機器人的運動軌跡將與上層規劃的跟蹤路徑不一致。尤其在電機加速或減速的時候，由於齒輪間的摩擦力以及負載的動態變化等幹擾的產生，使得上面的控制現象進一步惡化。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種提高移動機器人運動精度的控制方法，通過採用智能控制策略，協調移動機器人的兩輪運動，來直接減小方向誤差，提高系統的運動控制精度。
本發明採用高速數字處理器TMS320LF2407A作為多軸伺服運動控制器，具體實現方法是 (1)將高速數字處理器TMS320LF2407A初始化，包括控制參數初始化、輪子初始位置檢測、變量初始化、系統寄存器初始化。
(2)通過移動機器人的數字編碼器獲得各個輪子伺服電機的實時運行速度，並將該信息傳送至高速數字處理器TMS320LF2407A，在高速數字處理器TMS320LF2407A內部完成針對單個伺服電機位置、速度的控制閉環。
(3)對移動機器人進行運動學建模，得到機器人兩個輪子的速度協調關係 v＝(vl+vr)/2 ω＝(vr-vl)/b 其中，v表示機器人前進線速度，ω表示機器人前進角速度，b表示機器人兩個驅動輪之間的軸距，vl和vr表示機器人左、右輪線速度； (4)高速數字處理器TMS320LF2407A接受到速度控制指令vl和vr後，根據步驟(3)建立的運動學摸型，利用交叉耦合技術得到兩個單獨伺服電機控制閉環的位置誤差；通過位置誤差，利用模糊邏輯技術獲得瞬時每個單獨伺服電機控制閉環的校正控制量；利用校正控制量對兩個單獨伺服電機控制閉環的速度控制指令進行修改；利用修改後的速度控制指令控制機器人前進的線速度v和角速度ω。
交叉耦合的具體方法是設定機器人左右輪交叉耦合控制增益分別為gl、gr，則最終控制的理想狀態為glvl＝grvr；如果控制系統存在幹擾因素，則兩個單獨伺服電機控制閉環的位置誤差為e，e＝grvr-glvl。
模糊邏輯技術的具體方法是將位置誤差e和位置誤差變化率作為輸入變量，設定每個單獨伺服電機控制閉環的校正控制量為c，則c＝f(e，)，其中＝de/dt，f(.)為非線性函數。
對兩個單獨伺服電機控制閉環的速度控制指令vl和vr進行修改的方法具體是 vl′＝vl-c vr′＝vr+c 其中，vl′、vr′分別為修改後的左、右輪速度控制指令。
(5)重複進行步驟(3)和(4)，完成移動機器人連續運動控制。
本發明採用基於模糊邏輯的交叉耦合控制技術，通過比較機器人的左輪和右輪的碼盤反饋信息，產生校正信號使得速度較快的輪子速度下降，而速度較慢的輪子速度提高，最後達到左輪和右輪的動態性能匹配。即使存在內部參數不匹配或外部幹擾的情況下，左輪和右輪的速度響應也能夠得到良好地匹配。
本發明採用交叉耦合控制技術和模糊控制技術。交叉耦合控制結構將整個受控系統作為一個單獨的控制對象，通過考慮各軸之間的相互動力學影響，來實現多軸之間的動態匹配，從而提高運動控制的精度。模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎的一種計算機控制方法。它在一定程度上模仿了人的控制思想，其中包含了人的控制經驗和知識，它不需要有準確的控制對象模型，是一種典型的智能控制。模糊控制的獨特之處就在於，在系統數學模型未知的情況下成功地完成任務，甚至是複雜的非線性系統。本發明較以前的單獨閉環控制，具有實質性特點和顯著進步，而且基於原有系統設備的基礎上，易於改進和實現。
具體實施例方式 移動機器人運動高精度控制方法採用高速數字處理器TMS320LF2407A作為多軸伺服運動控制器，在不添加額外檢測電路的基礎上，通過智能控制技術來提高移動機器人運動的控制精度，具體實現方法是 (1)將高速數字處理器TMS320LF2407A初始化，包括控制參數初始化、輪子初始位置檢測、變量初始化、系統寄存器初始化。
高速數字處理器TMS320LF2407A作為多軸伺服運動控制器，需要完成多軸伺服運動控制。因此，對於每個運動控制閉環的控制參數都需要事先完成參數校正，實現每個控制閉環的性能優化。同時，還要初始化整個系統運行所需的交叉耦合參數、模糊邏輯輸入輸出量化因子等參數。高速數字處理器TMS320LF2407A也需要對自身的埠控制器以及其它配置參數進行初始化，才能保證系統的正確運行。
(2)通過移動機器人的數字編碼器獲得各個輪子伺服電機的實時運行速度，並將該信息傳送至高速數字處理器TMS320LF2407A，在高速數字處理器TMS320LF2407A內部完成針對單個伺服電機位置、速度的控制閉環。
每個伺服電機均配有一套高精度數字編碼器，利用該數字編碼器可以獲得伺服電機的實時運行速度。當和高速數字處理器TMS320LF2407A進行連接時，可以利用高速數字處理器TMS320LF2407A的片上正交編碼單元來對數字編碼器的數字輸出信號進行四倍頻處理。通過單元轉換，高速數字處理器TMS320LF2407A可以獲得當前伺服電機的實時運行位置和速度。在和參考命令進行比較後，利用各種智能控制策略(如PID控制)，即可在高速數字處理器TMS320LF2407A內部完成單軸的閉環伺服控制，即針對單個伺服電機完成位置、速度控制閉環。
(3)對移動機器人進行運動學建模，得到機器人兩個輪子的速度協調關係 v＝(vl+vr)/2 ω＝(vr-vl)/b 其中，v表示機器人前進線速度，ω表示機器人前進角速度，b表示機器人兩個驅動輪之間的軸距，vl和vr表示機器人左、右輪線速度； 對移動機器人進行運動學建模，不需要考慮系統所受的外部力量，如慣性力、外部驅動力、摩擦力等，而是從速度的角度來考慮整個移動機器人的運動協調關係，並在此基礎上實現交叉耦合控制技術，提高系統的運動控制精度。
(4)高速數字處理器TMS320LF2407A接受到速度控制指令vl和vr後，根據步驟(3)建立的運動學摸型，利用交叉耦合技術得到兩個單獨伺服電機控制閉環的位置誤差；通過位置誤差，利用模糊邏輯技術獲得瞬時每個單獨伺服電機控制閉環的校正控制量；利用校正控制量對兩個單獨伺服電機控制閉環的速度控制指令進行修改；利用修改後的速度控制指令控制機器人前進的線速度v和角速度ω。
交叉耦合的具體方法是設定機器人左右輪交叉耦合控制增益分別為gl、gr，則最終控制的理想狀態為glvl＝grvr；如果控制系統存在幹擾因素，則兩個單獨伺服電機控制閉環的位置誤差為e，e＝grvr-glvl。
模糊邏輯技術的具體方法是將位置誤差e和位置誤差變化率作為輸入變量，設定每個單獨伺服電機控制閉環的校正控制量為c，則c＝f(e，)，其中＝de/dt，f(.)為非線性函數。
對兩個單獨伺服電機控制閉環的速度控制指令vl和vr進行修改的方法具體是 vl′＝vl-c vr′＝vr+c 其中，vl′、vr′分別為修改後的左、右輪速度控制指令，c為單獨伺服電機控制閉環的校正控制量，也是由模糊控制系統的輸出量。
根據系統的運動學模型，可以得到輪式移動機器人的左、右輪速度協調關係。通過高精度編碼器可以實時獲取每個驅動輪的運行位置和速度，設定機器人左右輪交叉耦合控制增益分別為gl、gr，則根據交叉耦合控制思想，系統最終控制的理想狀態為glvl＝grvr。如果控制系統存在著內部幹擾或者外部幹擾因素，則系統控制著位置誤差e，e＝grvr-glvl。控制系統的設計思想就是通過交叉耦合控制思想，獲得多軸之間的匹配誤差，通過智能控制技術，如模糊邏輯、專家系統等，來實現系統的控制誤差為零，達到系統最終控制的理想狀態glvl＝grvr，同時保證系統控制的快速性與穩定性。
為了獲得快速穩定的閉環控制，提高系統的抗幹擾能力，用來校正兩個單獨伺服閉環控制的校正量，即交叉耦合控制器所生成的校正控制量，可以採用智能模糊控制技術來實現。該智能模糊控制器包括輸入變量、輸出變量以及49條規則庫等。為了將該模糊交叉耦合控制算法得以在嵌入式系統中應用，可將該模糊控制器進行離散化，具體實現可以通過Matlab軟體裡面的fuzzy inference工具包獲得。採用模糊控制技術，不僅能夠提高系統的控制精度，還能提高系統的快速反應能力，使得整個系統的動態控制性能達到優化。在獲得了模糊交叉耦合控制算法的離散形式後，在高速數字處理器TMS320LF2407A中，可以通過查表法進行實現。這樣，也大大提高了嵌入式控制系統的運行速度，進一步保證了系統的快速控制性能。
利用模糊邏輯交叉耦合控制器獲得瞬時對每個控制閉環的校正控制量，然後施加到兩個獨立閉環的控制參考量上，即左右輪閉環控制參考量vl、vr。這樣，就可以克服由於系統不匹配的閉環增益和控制參數、控制閉環上的不同外部幹擾以及打滑等因素導致的系統運動精度過低，並可提高非線性軌跡跟蹤控制的實時性。
(5)重複進行步驟(3)和(4)，完成移動機器人連續運動控制。
權利要求
1.一種移動機器人運動高精度控制方法，採用高速數字處理器TMS320LF2407A作為多軸伺服運動控制器，其特徵在於具體實現方法是
(1)將高速數字處理器TMS320LF2407A初始化，包括控制參數初始化、輪子初始位置檢測、變量初始化、系統寄存器初始化；
(2)通過移動機器人的數字編碼器獲得各個輪子伺服電機的實時運行速度，並將該信息傳送至高速數字處理器TMS320LF2407A，在高速數字處理器TMS320LF2407A內部完成針對單個伺服電機位置、速度的控制閉環；
(3)對移動機器人進行運動學建模，得到機器人兩個輪子的速度協調關係
υ＝(υl+υr)/2
ω＝(υr-υl)/R
其中，υ表示機器人前進線速度，ω表示機器人前進角速度，R表示機器人的旋轉半徑，υl和υr表示機器人左、右輪線速度；
(4)高速數字處理器TMS320LF2407A接受到速度控制指令υl和υr後，根據步驟(3)建立的運動學摸型，利用交叉耦合技術得到兩個單獨伺服電機控制閉環的位置誤差；通過位置誤差，利用模糊邏輯技術獲得瞬時每個單獨伺服電機控制閉環的校正控制量；利用校正控制量對兩個單獨伺服電機控制閉環的速度控制指令進行修改；利用修改後的速度控制指令控制機器人前進的線速度υ和角速度ω；其中
交叉耦合的具體方法是設定機器人左右輪交叉耦合控制增益分別為gl、gr，則最終控制的理想狀態為目glυl＝grυr；如果控制系統存在幹擾因素，則兩個單獨伺服電機控制閉環的位置誤差為e，e＝grυr-glvl；
模糊邏輯技術的具體方法是將位置誤差e和位置誤差變化率
作為輸入變量，設定每個單獨伺服電機控制閉環的校正控制量為c，則其中f(.)為非線性函數；
對兩個單獨伺服電機控制閉環的速度控制指令υl和υr進行修改的方法具體是
vl′＝vl-c
vr′＝vr+c
其中，vl′、vr′分別為修改後的左、右輪速度控制指令；
(5)重複進行步驟(3)和(4)，完成移動機器人連續運動控制。
全文摘要
本發明涉及移動機器人運動高精度的控制方法。目前的控制方法在移動機器人輪子速度產生瞬態波動時，不能精確控制。本發明採用高速數字處理器TMS320LF2407A作為多軸伺服運動控制器，具體實現方法是將處理器初始化；處理器內部完成針對單個伺服電機位置、速度的控制閉環；對移動機器人進行運動學建模，得到機器人兩個輪子的速度協調關係；利用交叉耦合技術和模糊邏輯技術獲得校正控制量對速度控制指令進行修改，控制機器人前進的線速度ν和角速度ω。本發明不需要有準確的控制對象模型，較以前的單獨閉環控制具有實質性特點和顯著進步，而且基於原有系統設備的基礎上，易於改進和實現。
文檔編號B25J13/00GK101116969SQ20071007107
公開日2008年2月6日 申請日期2007年9月4日 優先權日2007年9月4日
發明者張懷相, 戴國駿, 虹 曾 申請人:杭州電子科技大學