本發(fā)明涉及機(jī)器人控制，特別涉及一種mecanum輪式機(jī)器人行駛穩(wěn)定控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著計(jì)算機(jī)及微電子制造技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)成為一個跨學(xué)科、多融合的技術(shù)領(lǐng)域。由于mecanum輪移動機(jī)器人具有無拐彎半徑、有限空間內(nèi)可靈活移動、模型易于構(gòu)建等優(yōu)點(diǎn)，mecanum輪移動機(jī)器人在很多場景中都得到了廣泛應(yīng)用，如路面清潔、商場導(dǎo)購、彈藥裝填和飛機(jī)零部件的流轉(zhuǎn)等。

2、隨著輪式機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的增加，mecanum輪移動機(jī)器人在工作中將面臨來自未知復(fù)雜環(huán)境的挑戰(zhàn)，人-機(jī)-環(huán)境共融場景下的輪式機(jī)器人軌跡跟蹤和控制已成為了目前研究的前沿問題。mecanum輪移動機(jī)器人系統(tǒng)具有強(qiáng)耦合和非線性特性，傳統(tǒng)的建模思路一般是對系統(tǒng)的運(yùn)動過程進(jìn)行簡化，如假設(shè)機(jī)器人的運(yùn)動始終處于純滾動的理想運(yùn)動狀態(tài)，然而在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，mecanum輪移動機(jī)器人驅(qū)動輪與地面之間可能存在相對滑移(縱向、橫向滑移)、甚至脫離等情況，導(dǎo)致mecanum輪式機(jī)器人的精確跟蹤控制變得極為復(fù)雜和困難。因此，建立mecanum輪移動機(jī)器人完善的動力學(xué)模型并對其動力學(xué)行為進(jìn)行預(yù)測是目前亟待解決的問題，而如何準(zhǔn)確地反映mecanum輪與地面發(fā)生滑移、脫離時輪-地間的動態(tài)接觸行為是其中的關(guān)鍵科學(xué)問題。此外，目前關(guān)于mecanum輪移動機(jī)器人控制的研究主要偏向于運(yùn)動學(xué)控制，忽略了系統(tǒng)的受力環(huán)境，使得無法精確跟蹤機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的目標(biāo)軌跡，因此，綜合考慮滑移等非光滑因素，實(shí)現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下mecanum輪移動機(jī)器人的高精度跟蹤控制有著積極的理論意義以及廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少一定程度上解決上述技術(shù)中的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的第一個目的在于提出一種mecanum輪式機(jī)器人行駛穩(wěn)定控制方法，耦合運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析方法揭示mecanum輪式機(jī)器人的滑移產(chǎn)生機(jī)制，綜合考慮滑移對系統(tǒng)縱向控制、橫向控制產(chǎn)生的影響，根據(jù)mecanum輪機(jī)器人滑移的機(jī)制信息及預(yù)設(shè)的目標(biāo)軌跡設(shè)置實(shí)時跟蹤目標(biāo)軌跡的自適應(yīng)控制策略并執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)對mecanum輪式機(jī)器人的高精度控制，提高mecanum輪式機(jī)器人的行駛穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明的第二個目的在于提出一種mecanum輪式機(jī)器人行駛穩(wěn)定控制系統(tǒng)。

3、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明第一方面實(shí)施例提出了一種mecanum輪式機(jī)器人行駛穩(wěn)定控制方法，包括：

4、獲取mecanum輪式機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)；

5、根據(jù)mecanum輪式機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)得到mecanum輪式機(jī)器人非完整約束，結(jié)合拉格朗日原理得到mecanum輪式機(jī)器人的動力學(xué)方程；

6、根據(jù)動力學(xué)方程確定mecanum輪機(jī)器人滑移的機(jī)制信息；

7、根據(jù)mecanum輪機(jī)器人滑移的機(jī)制信息及預(yù)設(shè)的目標(biāo)軌跡設(shè)置實(shí)時跟蹤目標(biāo)軌跡的自適應(yīng)控制策略并執(zhí)行。

8、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，所述幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)包括輪轂、安裝在輪轂上的輥?zhàn)印ecanum輪的直徑、寬度以及輥?zhàn)拥某叽?；所述運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)包括速度、加速度、角速度及運(yùn)動方向。

9、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，根據(jù)mecanum輪式機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)得到mecanum輪式機(jī)器人非完整約束，包括：

10、mecanum輪式機(jī)器人具有4個輪子，每個輪子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向分別為wi和θi(i＝1,2,3,4)，mecanum輪式機(jī)器人的線速度和角速度分別為v和w，確定mecanum輪式機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程；

11、

12、其中，j(θ)為mecanum輪式機(jī)器人的雅可比矩陣，描述了輪子轉(zhuǎn)速與mecanum輪式機(jī)器人整體運(yùn)動狀態(tài)之間的映射關(guān)系；

13、分析j(θ)的第一取值范圍和wi的第二取值范圍，查詢對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，確定mecanum輪式機(jī)器人受到輪子轉(zhuǎn)速的控制信息及輪子與地面接觸時輥?zhàn)訚L動方向的限制信息，作為mecanum輪式機(jī)器人非完整約束。

14、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，結(jié)合拉格朗日原理得到mecanum輪式機(jī)器人的動力學(xué)方程，包括：

15、定義mecanum輪式機(jī)器人的拉格朗日函數(shù)為動能與勢能之差l；

16、l＝t-u

17、其中，t為mecanum輪式機(jī)器人的動能；u為mecanum輪式機(jī)器人的勢能；

18、動能t可以表示為各輪子轉(zhuǎn)動動能和機(jī)器人平動動能的和，即：

19、

20、其中，n為mecanum輪式機(jī)器人包括的輪子的數(shù)量；ii為第i個輪子的轉(zhuǎn)動慣量；m為mecanum輪式機(jī)器人的質(zhì)量；

21、應(yīng)用拉格朗日方程；

22、

23、其中，為表示對時間t的求導(dǎo)運(yùn)算，描述一個變量隨時間變化的速率；q‘j為mecanum輪式機(jī)器人的廣義速度；qj是mecanum輪式機(jī)器人的廣義坐標(biāo)，是輪子的轉(zhuǎn)角或機(jī)器人的位置坐標(biāo)；g為mecanum輪式機(jī)器人非完整約束；qj為與廣義坐標(biāo)qj對應(yīng)的廣義力，廣義力包括驅(qū)動力及摩擦力；

24、通過代入拉格朗日函數(shù)和廣義坐標(biāo)，得到mecanum輪式機(jī)器人的動力學(xué)方程；所述動力學(xué)方程包含各輪子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、機(jī)器人的線速度和角速度變量，以及它們之間的相互作用關(guān)系。

25、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，所述機(jī)制信息包括輪子的摩擦力是否大于預(yù)設(shè)摩擦力閾值、是否存在大于預(yù)設(shè)速度的移動、是否存在大于預(yù)設(shè)加速度的移動及輪子布局和驅(qū)動方式是否合理。

26、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，根據(jù)mecanum輪機(jī)器人滑移的機(jī)制信息及預(yù)設(shè)的目標(biāo)軌跡設(shè)置實(shí)時跟蹤目標(biāo)軌跡的自適應(yīng)控制策略，包括：

27、采集mecanum輪機(jī)器人滑移后的滑移軌跡；

28、計(jì)算滑移軌跡與目標(biāo)軌跡的距離信息；

29、

30、其中，d為滑移軌跡與目標(biāo)軌跡的距離信息；m為滑移軌跡包括的軌跡點(diǎn)的數(shù)量，也為目標(biāo)軌跡包括的軌跡點(diǎn)的數(shù)量，兩者相等；(x1i，y1i，z1i)為滑移軌跡包括的第i個軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)；(x2i，y2i，z2i)為目標(biāo)軌跡包括的第i個軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)；

31、將距離信息與預(yù)設(shè)距離信息進(jìn)行比較，在確定距離信息小于等于預(yù)設(shè)距離信息時，執(zhí)行當(dāng)前的控制策略；在確定距離小于大于預(yù)設(shè)距離信息時，對滑移軌跡進(jìn)行分割，得到s段子滑移軌跡；對目標(biāo)軌跡進(jìn)行分割，得到s段子目標(biāo)軌跡；

32、計(jì)算滑移軌跡與目標(biāo)軌跡的匹配度p：

33、

34、其中，pi為第i段子滑移軌跡與第i段子目標(biāo)軌跡的匹配度；

35、根據(jù)匹配度查詢預(yù)設(shè)滑移等級數(shù)據(jù)表，確定對應(yīng)的滑移等級；

36、在確定滑移等級為高等級時，生成調(diào)節(jié)輪子布局和驅(qū)動方式的自適應(yīng)控制策略；

37、在確定滑移等級為中等級時，生成減速的自適應(yīng)控制策略；

38、在確定滑移等級為低等級時，生成增大輪子的摩擦力的自適應(yīng)控制策略。

39、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明第二方面實(shí)施例提出了一種mecanum輪式機(jī)器人行駛穩(wěn)定控制系統(tǒng)，包括：

40、獲取模塊，用于獲取mecanum輪式機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)；

41、計(jì)算模塊，用于根據(jù)mecanum輪式機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和運(yùn)動狀態(tài)數(shù)據(jù)得到mecanum輪式機(jī)器人非完整約束，結(jié)合拉格朗日原理得到mecanum輪式機(jī)器人的動力學(xué)方程；

42、確定模塊，用于根據(jù)動力學(xué)方程確定mecanum輪機(jī)器人滑移的機(jī)制信息；

43、設(shè)置模塊，用于根據(jù)mecanum輪機(jī)器人滑移的機(jī)制信息及預(yù)設(shè)的目標(biāo)軌跡設(shè)置實(shí)時跟蹤目標(biāo)軌跡的自適應(yīng)控制策略并執(zhí)行。

44、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，計(jì)算模塊，包括：

45、確定子模塊，用于mecanum輪式機(jī)器人具有4個輪子，每個輪子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向分別為wi和θi(i＝1,2,3,4)，mecanum輪式機(jī)器人的線速度和角速度分別為v和w，確定mecanum輪式機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)方程；

46、

47、其中，j(θ)為mecanum輪式機(jī)器人的雅可比矩陣，描述了輪子轉(zhuǎn)速與mecanum輪式機(jī)器人整體運(yùn)動狀態(tài)之間的映射關(guān)系；

48、分析子模塊，用于分析j(θ)的第一取值范圍和wi的第二取值范圍，查詢對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，確定mecanum輪式機(jī)器人受到輪子轉(zhuǎn)速的控制信息及輪子與地面接觸時輥?zhàn)訚L動方向的限制信息，作為mecanum輪式機(jī)器人非完整約束。

49、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，計(jì)算模塊，還包括：

50、定義子模塊，用于：

51、定義mecanum輪式機(jī)器人的拉格朗日函數(shù)為動能與勢能之差l；

52、l＝t-u

53、其中，t為mecanum輪式機(jī)器人的動能；u為mecanum輪式機(jī)器人的勢能；

54、動能t可以表示為各輪子轉(zhuǎn)動動能和機(jī)器人平動動能的和，即：

55、

56、其中，n為mecanum輪式機(jī)器人包括的輪子的數(shù)量；ii為第i個輪子的轉(zhuǎn)動慣量；m為mecanum輪式機(jī)器人的質(zhì)量；

57、應(yīng)用子模塊，用于：

58、應(yīng)用拉格朗日方程；

59、

60、其中，為表示對時間t的求導(dǎo)運(yùn)算，描述一個變量隨時間變化的速率；q‘j為mecanum輪式機(jī)器人的廣義速度；qj是mecanum輪式機(jī)器人的廣義坐標(biāo)，是輪子的轉(zhuǎn)角或機(jī)器人的位置坐標(biāo)；g為mecanum輪式機(jī)器人非完整約束；qj為與廣義坐標(biāo)qj對應(yīng)的廣義力，廣義力包括驅(qū)動力及摩擦力；

61、通過代入拉格朗日函數(shù)和廣義坐標(biāo)，得到mecanum輪式機(jī)器人的動力學(xué)方程；所述動力學(xué)方程包含各輪子的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、機(jī)器人的線速度和角速度變量，以及它們之間的相互作用關(guān)系。

62、根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，所述設(shè)置模塊，包括：

63、采集子模塊，用于：采集mecanum輪機(jī)器人滑移后的滑移軌跡；

64、生成子模塊，用于：

65、計(jì)算滑移軌跡與目標(biāo)軌跡的距離信息；

66、

67、其中，d為滑移軌跡與目標(biāo)軌跡的距離信息；m為滑移軌跡包括的軌跡點(diǎn)的數(shù)量，也為目標(biāo)軌跡包括的軌跡點(diǎn)的數(shù)量，兩者相等；(x1i，y1i，z1i)為滑移軌跡包括的第i個軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)；(x2i，y2i，z2i)為目標(biāo)軌跡包括的第i個軌跡點(diǎn)的坐標(biāo)；

68、將距離信息與預(yù)設(shè)距離信息進(jìn)行比較，在確定距離信息小于等于預(yù)設(shè)距離信息時，執(zhí)行當(dāng)前的控制策略；在確定距離小于大于預(yù)設(shè)距離信息時，對滑移軌跡進(jìn)行分割，得到s段子滑移軌跡；對目標(biāo)軌跡進(jìn)行分割，得到s段子目標(biāo)軌跡；

69、計(jì)算滑移軌跡與目標(biāo)軌跡的匹配度p：

70、

71、其中，pi為第i段子滑移軌跡與第i段子目標(biāo)軌跡的匹配度；

72、根據(jù)匹配度查詢預(yù)設(shè)滑移等級數(shù)據(jù)表，確定對應(yīng)的滑移等級；

73、在確定滑移等級為高等級時，生成調(diào)節(jié)輪子布局和驅(qū)動方式的自適應(yīng)控制策略；

74、在確定滑移等級為中等級時，生成減速的自適應(yīng)控制策略；

75、在確定滑移等級為低等級時，生成增大輪子的摩擦力的自適應(yīng)控制策略。

76、本發(fā)明提出一種mecanum輪式機(jī)器人行駛穩(wěn)定控制方法及系統(tǒng)，耦合運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析方法揭示mecanum輪式機(jī)器人的滑移產(chǎn)生機(jī)制，綜合考慮滑移對系統(tǒng)縱向控制、橫向控制產(chǎn)生的影響，根據(jù)mecanum輪機(jī)器人滑移的機(jī)制信息及預(yù)設(shè)的目標(biāo)軌跡設(shè)置實(shí)時跟蹤目標(biāo)軌跡的自適應(yīng)控制策略并執(zhí)行，以實(shí)現(xiàn)對mecanum輪式機(jī)器人的高精度控制，提高mecanum輪式機(jī)器人的行駛穩(wěn)定性。

77、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

78、下面通過附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。