專利名稱：輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種輪式移動機(jī)器人的控制算法，特別涉及到輪式移動機(jī)器人的一種變結(jié)構(gòu)控制方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器人在產(chǎn)、學(xué)、研方面都有重大的研究意義，輪式機(jī)器人研究是機(jī)器人研究的一個(gè)分支，屬于可行走智能機(jī)器人的研究范疇，其涉及到計(jì)算機(jī)、自動控制、傳感與感知、無線通訊、精密機(jī)械和仿生材料等眾多前沿學(xué)科。隨著科技的不斷發(fā)展，物質(zhì)生活的提高，人類更想脫離于繁重、危險(xiǎn)、重復(fù)的工作。因此機(jī)器人的使用越來越廣泛，機(jī)器人運(yùn)動的研究越來越受到重視。移動機(jī)器人的運(yùn)動控制問題是機(jī)器人研究中最基本的問題，也是機(jī)器人研究中只有依靠控制理論才能予以解決的問題。對于一個(gè)包括控制對象在內(nèi)的控制系統(tǒng)而言，控制問題的理論研究包括兩方面內(nèi)容，一是控制系統(tǒng)分析問題，一是控制系統(tǒng)綜合問題。在分析問題中，根據(jù)已知的控制輸入作用，來確定控制系統(tǒng)的定性行為(如能控性、能觀測性、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)動形式或某些性能指標(biāo)，來確定需要施加于控制對象的控制輸入作用，即控制算法。要改進(jìn)機(jī)器人運(yùn)動性能，其底層運(yùn)動控制算法的設(shè)計(jì)和優(yōu)化成了關(guān)鍵。設(shè)計(jì)出好的的運(yùn)動控制系統(tǒng)成了完善輪式機(jī)器人系統(tǒng)的一個(gè)重要目標(biāo)。PID是最常用的控制方法，PID控制器三參數(shù)的確定有定性的計(jì)算方法。對于比例控制器，其輸入量與輸出量成比例，二者在時(shí)間上沒有延遲；采用積分作用解決穩(wěn)態(tài)誤差， 但是增大系統(tǒng)的相位滯后，嚴(yán)重的削弱系統(tǒng)響應(yīng)速度?？刹捎迷谡`差進(jìn)入一定范圍內(nèi)才開始積分的方法可以進(jìn)行有效控制。當(dāng)其作用系數(shù)太大時(shí)，系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定。但若系數(shù)太小， 又會是系統(tǒng)動作緩慢。在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下加大比例調(diào)節(jié)，可減少穩(wěn)態(tài)誤差，但不能消除誤差；采用微分控制，控制效果迅速，一般適用于有時(shí)間滯后的系統(tǒng)，具有超前調(diào)節(jié)的效果，但是如果數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)無法達(dá)到預(yù)設(shè)值。此外，PID控制器缺少智能感知機(jī)制，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，運(yùn)行軌跡不夠準(zhǔn)確和穩(wěn)定，而且不能針對不同的狀態(tài)采取不同的控制方法。為了提高移動機(jī)器人行走的自適應(yīng)能力，有文獻(xiàn)提出了一種將模糊算法和比例積分相結(jié)合的模糊比例積分控制算法，并應(yīng)用到自主開發(fā)的四輪移動機(jī)器人上，但是這種方法的規(guī)則區(qū)域不易劃分，實(shí)際應(yīng)用不易達(dá)到仿真效果。通過對移動機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行分析，以往基于視覺的雙輪機(jī)器人，使用了參數(shù)模糊自整定的PID控制方法應(yīng)用于移動機(jī)器人運(yùn)動控制中，但是這種方法，參數(shù)不易整定，實(shí)際中不易實(shí)現(xiàn)。輪式移動機(jī)器人在大彎道路徑跟蹤時(shí)，為了防止出現(xiàn)過度轉(zhuǎn)向而引起較大跟蹤誤差以及偏離預(yù)定路徑，有文獻(xiàn)提出一種能適應(yīng)大轉(zhuǎn)向的航向跟蹤控制方法，利用機(jī)器人左輪偏角的絕對方向作為控制器的反饋信息。但是在實(shí)際應(yīng)用中，單一的偏轉(zhuǎn)角作為反饋而不把中心偏移量作為反饋信息，不能達(dá)到很好的控制效果。有文獻(xiàn)提出設(shè)計(jì)基于融合函數(shù)的模糊控制器來進(jìn)行機(jī)器人行走控制。該方法可以減少模糊規(guī)則，但是模糊控制器的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中的模糊控制器不能很好的被設(shè)計(jì)出來。適當(dāng)?shù)淖兘Y(jié)構(gòu)控制可以使機(jī)器人系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到指定的切換面，從而實(shí)現(xiàn)滑?？刂?。但是，實(shí)際系統(tǒng)由于切換裝置不可避免地存在慣性，變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在不同的控制邏輯中來回切換，因而導(dǎo)致實(shí)際滑?？刂撇皇菧?zhǔn)確地發(fā)生在切換面上，容易引起系統(tǒng)的劇烈抖動，從而成為它在實(shí)際應(yīng)用中的一大障礙。移動機(jī)器人控制算法不同于一般系統(tǒng)的控制算法。常見的自動控制算法往往是針對特定的應(yīng)用條件而進(jìn)行設(shè)計(jì)的，只用于完成某種特殊功能。而機(jī)器人控制算法需要完成多種功能，所有機(jī)器人控制系統(tǒng)幾乎都是多種控制算法的融合。因此急需一種在控制機(jī)器人行走時(shí)，既能保留其優(yōu)良特性，又能提高傳統(tǒng)控制算法自適應(yīng)性的控制算法。本專利提出一種將多模態(tài)控制、規(guī)則控制與PID控制進(jìn)行融合的新的變結(jié)構(gòu)控制方法，用于輪式移動機(jī)器人的行走運(yùn)動控制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問題，本發(fā)明提出一種在控制機(jī)器人行走時(shí)，既能保留其優(yōu)良特性，又能提高傳統(tǒng)控制算法自適應(yīng)性的控制算法；將多模態(tài)控制、規(guī)則控制與PID控制進(jìn)行融合的新的變結(jié)構(gòu)控制方法，用于輪式移動機(jī)器人的行走運(yùn)動控制。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，所述輪式移動機(jī)器人包括左輪、右輪、驅(qū)動器、前排磁傳感器、后排磁傳感器、輪式移動機(jī)器人車體、RFID讀寫器，所述驅(qū)動器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，包括直線行走控制和轉(zhuǎn)彎控制，所述直線行走控制，根據(jù)機(jī)器人左輪和右輪驅(qū)動電機(jī)的差別信息來控制機(jī)器人直線移動和校正機(jī)器人的前進(jìn)方向；所述轉(zhuǎn)彎控制，根據(jù)RFID標(biāo)簽提供轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)彎方向信息與磁條提供的轉(zhuǎn)彎位置信息來確定機(jī)器人轉(zhuǎn)彎所需信息，采用原地直角轉(zhuǎn)彎方式完成來控制轉(zhuǎn)彎動作。進(jìn)一步，所述直線行走控制為變結(jié)構(gòu)控制方式，包括內(nèi)部控制環(huán)和外部控制環(huán)，所述內(nèi)部控制環(huán)采用多模態(tài)PID控制方法來控制機(jī)器人的直線移動；所述外部控制環(huán)采用 PID控制與規(guī)則控制相結(jié)合的控制方法來校正小車的前進(jìn)方向；所述內(nèi)部控制環(huán)和外部控制環(huán)按照以下條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換當(dāng)方向角θ =0且中心偏移量η <d時(shí)，由內(nèi)部控制環(huán)控制機(jī)器人的前進(jìn)，否則由外部控制環(huán)來調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向；其中d為兩相鄰磁傳感器間隔；進(jìn)一步，所述多模態(tài)PID控制方法包括以下步驟Sl 計(jì)算多模態(tài)PID控制中的系數(shù)Kp、Ki、Kd，其中Kp表示比例系數(shù)，Ki表示積分系數(shù)，Kd表示微分系數(shù)；S2 輸入采集到的機(jī)器人移動信息y(k)，y (k)為當(dāng)前時(shí)刻左輪和右輪轉(zhuǎn)速差；S3 計(jì)算偏差 e (k) = r (k) -y (k)，其中y(k)表示本次采樣輸入量；r(k)表示給定輸入量；e(k)表示給定輸入量與本次采樣輸入量的偏差；S4 通過以下公式計(jì)算控制量u (k) =u (k-1) +Kp (e (k) _e (k_l)) +K^ (k) +Kd (e (k) -2e (k_l) +e (k_2))其中，e(k)表示給定輸入量與本次采樣輸入量的偏差；e(k-l)表示給定輸入量與上次輸入量之間的偏差；e(kl)表示給定量與上上次采樣輸入量之間的偏差；u(k)表示需輸出的控制量；u (k-Ι)表示上一次輸出的控制量；S5 輸出控制量u (k)，通過機(jī)器人驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動；S6:通過以下公式修改偏差，將本次偏差設(shè)置為下一次偏差，將下一次偏差設(shè)置為上上次偏差e (k) — e (k_l)，e (k-Ι) — e (k_2)；S7:判斷采樣時(shí)間是否到，如果未到達(dá)，則記錄采樣時(shí)間直到采樣時(shí)間結(jié)束，進(jìn)入下一步；S8 如果采樣時(shí)間完畢，則返回步驟S2進(jìn)行下一次采樣輸入；進(jìn)一步，所述步驟計(jì)算控制量中在計(jì)算控制量前還要先按照機(jī)器人左輪和右輪轉(zhuǎn)速差的變化情況來劃分PID的模態(tài)，所述PID模態(tài)劃分按照以下方式進(jìn)行當(dāng)左輪和右輪轉(zhuǎn)速差小于預(yù)設(shè)最小閾值時(shí)，使用PID控制；當(dāng)左輪和右輪轉(zhuǎn)速差大于預(yù)設(shè)最大閾值時(shí)，使用P控制；當(dāng)左輪和右輪轉(zhuǎn)速差在預(yù)設(shè)最小閾值和預(yù)設(shè)最大閾值之間時(shí)，使用PI控制；所述預(yù)設(shè)最小閾值取lr/min，所述預(yù)設(shè)最大閾值取2r/min ；進(jìn)一步，所述外部控制環(huán)包括以下步驟S21 利用機(jī)器人前后端的磁傳感器和磁條位置來采集機(jī)器人的位置偏差信號并計(jì)算出機(jī)器人的姿態(tài)；S22:判斷機(jī)器人姿態(tài)是否出現(xiàn)偏差，如果沒有出現(xiàn)偏差，則機(jī)器人保持原來的姿態(tài)移動；S23 如果出現(xiàn)偏差，采用以下公式計(jì)算出控制量e (k) = ki η (k) +k2 θ (k)U (k) =u (k-1) +Kp (e (k) _e (k-1)) +K^ (k) +Kd (e (k) -2e (k-1) +e (k_2))其中，1^表示中心偏移量的比例系數(shù)，1 表示方位角的比例系數(shù)，Ic1A2的值要根據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)來確定；e(k)表示給定輸入量與本次采樣輸入量的偏差；e(k-l)表示給定輸入量與上次輸入量之間的偏差；e(kl)表示給定量與上上次采樣輸入量之間的偏差；u(k) 表示需輸出的控制量；u(k-l)表示上一次的輸出量；η (k)表示本次檢測到機(jī)器人中線距路徑中心的距離；θ (k)表示本次檢測到機(jī)器人的方向角；S24 根據(jù)傳感器檢測的機(jī)器人的偏離角度確定機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；S25:確定小車轉(zhuǎn)向后再根據(jù)控制量，給驅(qū)動器相應(yīng)端口送電壓，從而調(diào)整機(jī)器人兩驅(qū)動輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輪子的轉(zhuǎn)向；進(jìn)一步，還包括以下步驟S9 當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行過程跑出了磁條的范圍，則進(jìn)行前向視頻導(dǎo)航，由前向視頻導(dǎo)航系統(tǒng)為運(yùn)動控制系統(tǒng)提供偏移量和中心偏移距離的信息；進(jìn)一步，所述轉(zhuǎn)彎控制包括以下步驟
Sll 在機(jī)器人直線行走時(shí)通過RFID讀寫器獲取RFID標(biāo)簽的轉(zhuǎn)彎方向信息，通過磁傳感器檢測磁條提供的轉(zhuǎn)彎位置信息；S12 機(jī)器人運(yùn)動預(yù)設(shè)的延長時(shí)間后停止運(yùn)動；S13 根據(jù)FRID標(biāo)簽提供的標(biāo)志位來判斷確定機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎的方向信息；S14 根據(jù)轉(zhuǎn)彎的方向信息，讓相應(yīng)的一個(gè)輪子轉(zhuǎn)動，另一個(gè)輪子停止；S15 檢測磁條，判斷磁條是否位于前排磁傳感和后排磁傳感中間；如果磁條不位于前排磁傳感和后排磁傳感中間，則返回步驟S14繼續(xù)轉(zhuǎn)彎；S16 如果磁條位于前排磁傳感和后排磁傳感中間，則停止轉(zhuǎn)彎；進(jìn)一步，所述S3步驟中計(jì)算偏差包括計(jì)算角度和偏移距離兩部分的偏差量；進(jìn)一步，所述中心偏移量通過以下公式計(jì)算
權(quán)利要求
1.輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，所述輪式移動機(jī)器人包括左輪、右輪、驅(qū)動器、 前排磁傳感器、后排磁傳感器、輪式移動機(jī)器人車體、RFID讀寫器，所述驅(qū)動器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，其特征在于包括直線行走控制和轉(zhuǎn)彎控制，所述直線行走控制，根據(jù)機(jī)器人左輪和右輪驅(qū)動電機(jī)的差別信息來控制機(jī)器人直線移動和校正機(jī)器人的前進(jìn)方向；所述轉(zhuǎn)彎控制， 根據(jù)RFID標(biāo)簽提供轉(zhuǎn)彎的轉(zhuǎn)彎方向信息與磁條提供的轉(zhuǎn)彎位置信息來確定機(jī)器人轉(zhuǎn)彎所需信息，采用原地直角轉(zhuǎn)彎方式完成來控制轉(zhuǎn)彎動作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于所述直線行走控制為變結(jié)構(gòu)控制方式，包括內(nèi)部控制環(huán)和外部控制環(huán)，所述內(nèi)部控制環(huán)采用多模態(tài) PID控制方法來控制機(jī)器人的直線移動；所述外部控制環(huán)采用PID控制與規(guī)則控制相結(jié)合的控制方法來校正小車的前進(jìn)方向；所述內(nèi)部控制環(huán)和外部控制環(huán)按照以下條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換當(dāng)方向角θ =0且中心偏移量η <d時(shí)，由內(nèi)部控制環(huán)控制機(jī)器人的前進(jìn)，否則由外部控制環(huán)來調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向；其中d為兩相鄰磁傳感器間隔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于所述多模態(tài)PID控制方法包括以下步驟51計(jì)算多模態(tài)PID控制中的系數(shù)Kp、Ki、Kd，其中Kp表示比例系數(shù)，Ki表示積分系數(shù)，Kd表示微分系數(shù)；52輸入采集到的機(jī)器人移動信息y(k)，y (k)為當(dāng)前時(shí)刻左輪和右輪轉(zhuǎn)速差； S3:計(jì)算偏差 e(k) =r(k)-y(k),其中y(k)表示本次采樣輸入量；r(k)表示給定輸入量；e(k)表示給定輸入量與本次采樣輸入量的偏差；54通過以下公式計(jì)算控制量u (k) =u (k-1) +Kp (e (k) _e (k-1)) +K^ (k) +Kd (e (k) -2e (k-1) +e (k-2)) 其中，e(k)表示給定輸入量與本次采樣輸入量的偏差；e(k-l)表示給定輸入量與上次輸入量之間的偏差；e(kl)表示給定量與上上次采樣輸入量之間的偏差；u(k)表示需輸出的控制量；u (k-Ι)表示上一次輸出的控制量；55輸出控制量u (k)，通過機(jī)器人驅(qū)動模塊驅(qū)動電機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動；56通過以下公式修改偏差，將本次偏差設(shè)置為下一次偏差，將下一次偏差設(shè)置為上上次偏差e (k) — e (k-Ι)，e (k-1) — e (k-2)；S7:判斷采樣時(shí)間是否到，如果未到達(dá)，則記錄采樣時(shí)間直到采樣時(shí)間結(jié)束，進(jìn)入下一止少；S8 如果采樣時(shí)間完畢，則返回步驟S2進(jìn)行下一次采樣輸入。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于所述步驟計(jì)算控制量中在計(jì)算控制量前還要先按照機(jī)器人左輪和右輪轉(zhuǎn)速差的變化情況來劃分PID 的模態(tài)，所述PID模態(tài)劃分按照以下方式進(jìn)行當(dāng)左輪和右輪轉(zhuǎn)速差小于預(yù)設(shè)最小閾值時(shí)，使用PID控制； 當(dāng)左輪和右輪轉(zhuǎn)速差大于預(yù)設(shè)最大閾值時(shí)，使用P控制； 當(dāng)左輪和右輪轉(zhuǎn)速差在預(yù)設(shè)最小閾值和預(yù)設(shè)最大閾值之間時(shí)，使用PI控制； 所述預(yù)設(shè)最小閾值取lr/min，所述預(yù)設(shè)最大閾值取2r/min。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于所述外部控制環(huán)包括以下步驟521利用機(jī)器人前后端的磁傳感器和磁條位置來采集機(jī)器人的位置偏差信號并計(jì)算出機(jī)器人的姿態(tài)；522判斷機(jī)器人姿態(tài)是否出現(xiàn)偏差，如果沒有出現(xiàn)偏差，則機(jī)器人保持原來的姿態(tài)移動；523如果出現(xiàn)偏差，采用以下公式計(jì)算出控制量e (k) = ki η (k) +k2 θ (k)u (k) =u (k-1) +Kp (e (k) _e (k-1)) +K^ (k) +Kd (e (k) -2e (k-1) +e (k-2))其中，&表示中心偏移量的比例系數(shù)，k2表示方位角的比例系數(shù)，k” k2的值要根據(jù)機(jī)器人的姿態(tài)來確定；e(k)表示給定輸入量與本次采樣輸入量的偏差；e(k-l)表示給定輸入量與上次輸入量之間的偏差；e(kl)表示給定量與上上次采樣輸入量之間的偏差；u(k)表示需輸出的控制量；u(k-l)表示上一次的輸出量；η (k)表示本次檢測到機(jī)器人中線距路徑中心的距離；θ (k)表示本次檢測到機(jī)器人的方向角；524根據(jù)傳感器檢測的機(jī)器人的偏離角度確定機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；S25:確定小車轉(zhuǎn)向后再根據(jù)控制量，給驅(qū)動器相應(yīng)端口送電壓，從而調(diào)整機(jī)器人兩驅(qū)動輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輪子的轉(zhuǎn)向。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于還包括以下步驟S9 當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)行過程跑出了磁條的范圍，則進(jìn)行前向視頻導(dǎo)航，由前向視頻導(dǎo)航系統(tǒng)為運(yùn)動控制系統(tǒng)提供偏移量和中心偏移距離的信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于所述轉(zhuǎn)彎控制包括以下步驟511在機(jī)器人直線行走時(shí)通過RFID讀寫器獲取RFID標(biāo)簽的轉(zhuǎn)彎方向信息，通過磁傳感器檢測磁條提供的轉(zhuǎn)彎位置信息；512機(jī)器人運(yùn)動預(yù)設(shè)的延長時(shí)間后停止運(yùn)動；513根據(jù)FRID標(biāo)簽提供的標(biāo)志位來判斷確定機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎的方向信息；514根據(jù)轉(zhuǎn)彎的方向信息，讓相應(yīng)的一個(gè)輪子轉(zhuǎn)動，另一個(gè)輪子停止；515檢測磁條，判斷磁條是否位于前排磁傳感和后排磁傳感中間；如果磁條不位于前排磁傳感和后排磁傳感中間，則返回步驟S14繼續(xù)轉(zhuǎn)彎；516如果磁條位于前排磁傳感和后排磁傳感中間，則停止轉(zhuǎn)彎。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于所述S3步驟中計(jì)算偏差包括計(jì)算角度和偏移距離兩部分的偏差量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，其特征在于所述中心偏移量通過以下公式計(jì)算
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輪式移動機(jī)器人的變結(jié)構(gòu)控制方法，采用多模態(tài)PID控制方法來控制機(jī)器人的直線移動；采用PID控制與規(guī)則控制相結(jié)合的控制方法來校正小車的前進(jìn)方向；這兩種控制方式通過方向角和中心偏移量的變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換，機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎控制通過轉(zhuǎn)彎方向信息與位置信息來控制機(jī)器人以原地直角轉(zhuǎn)彎方式進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，本發(fā)明采用多模態(tài)PID控制和規(guī)則控制與PID控制相結(jié)合，該算法針對機(jī)器人所處的不同狀態(tài)采用不同的控制算法以及相應(yīng)的控制參數(shù)，有效地提高和改善了機(jī)器運(yùn)動控制性能，按照誤差的變化情況來劃分控制模態(tài)，更合理地模擬了人的控制行為，較傳統(tǒng)的PID控制方法，具有一定的智能性，提高了機(jī)器人行走運(yùn)動控制品質(zhì)。
文檔編號G05D1/02GK102269995SQ201110169879
公開日2011年12月7日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者何偉, 劉衛(wèi)寧, 孫棣華, 孫煥山, 崔明月, 廖孝勇, 李碩, 李陸, 趙敏, 郭磊 申請人:重慶大學(xué)