用于噴藥移動機器人的軌跡跟蹤滑模控制系統和控制方法技術方案

用于噴藥移動機器人的軌跡跟蹤滑模控制方法，采用如下步驟：對移動機器人進行機構分析，建立具有非完整性約束的移動機器人運動學模型；建立帶有電機驅動軸干擾項的輪式移動機器人各支路控制器的被控對象數學模型；利用計算機視覺系統識別行走路徑，根據上步驟所推導的運動學模型確定各支路驅動電機的期望運動軌跡；對電機的轉速進行檢測，計算移動機器人左右驅動電動機的實際運動角速度，實際運動角加速度，計算各驅動電動機期望角速度與實際角速度的偏差和偏差導數；構建滿足驅動電機速度控制要求的滑模切換函數；在確定滑模面函數s基礎上，確定移動機器人左右驅動電動機的滑模控制器控制量；將移動機器人電機驅動控制量分發送給左右電機驅動器。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種移動機器人的軌跡跟蹤控制，尤其涉及針對溫室環境下兩輪驅動 噴藥移動機器人軌跡跟蹤控制的滑模控制器的構建方法。
技術介紹
上世紀70年代以來，中國已逐步推廣塑料大棚種植技術，并取得顯著的經濟和社 會效益，如今，中國已成為最大的農作物溫室生產國家。然而，我國的溫室生產管理水平與 自動化程度與先進國家相比仍存在一定的差距。在溫室生產設備方面，仍然用手動噴霧器 進行農作物施藥。為有效的提高農藥利用率，減少勞動強度，并降低農藥對作業人員的傷 害，有必要提高我國溫室生產設備的自動化水平，以滿足現代精準農業生產的要求。噴藥機器人是非常重要的現代溫室管理設備，越來越多的國家已經在農業生產中 使用溫室噴藥機器人，相關的技術水平也在不斷提高。然而，溫室內作物種植密集，地面障 礙與空間障礙并存，為實現噴藥移動機器人在這種非結構化環境下對作物實施精準噴藥， 準確的軌跡跟蹤控制是噴藥機器人實現農作物精準噴藥的關鍵。文 獻《Image-based Trajectory Tracking with Fuzzy Control for Nonholonomic MobileRobots(Tatsuya Kato, et. al, IECON 2011-37th Annual Conference on IEEE Industrial ElectronicsSociety, 2011, pp. 3299-3304.)引入一種通過基于圖像 處理的模糊控制器實現移動機器人的軌跡跟蹤控制。首先建立獨立于機器人的圖像坐標 系，將機器人攝像頭的信息映射到圖像坐標系，通過控制圖像平面的信息間接控制機器人 狀態。通過圖形處理計算圖像坐標系下的目標軌跡的梯度和截距，從中獲得期望軌跡目標 函數。設計一個模糊控制器對機器人的航向角和速度進行控制，該模糊控制器的為61-20 結構，輸入量為基于圖像處理的圖像坐標系下的梯度和截距、梯度和截距的導數、航向角、 前進速度)，輸出量為航向角和前進速度的調節量。該控制器可以通過控制圖像平面的信 息間接控制機器人狀態。雖然目前圖像處理的軟硬件技術發展迅猛，但可靠的視覺識別算 法的計算耗時依然不可忽視，且溫室內的作業環境有時要比田間的作業環境更差一些，如 室內空間和地面設施密集、作物的密集度比田間大、室內光線不夠充足等因素又增加了識 別難度，以至于視覺系統無法及時地感知機器人位姿變化；移動機器人前進和轉彎時，不可 避免地會與地面發生滑動摩擦，使得系統的輸出控制量不能準確反應到控制系統中，從而 直接影響機器人軌跡跟蹤控制的性能；另外，文中采用模糊控制器對移動機器人進行軌跡 跟蹤控制，而模糊邏輯需要完備的人類經驗，由于輸入量較多，其推理規則和模糊表急劇增 加；文獻《提高輪式移動機器人性能的AKF和滑模相結合控制方法》(曹政才等，控制與決 策，2011年第26卷10期，第1409-1503頁)針對輪式移動機器人在實際工作中不可避免 地受到環境因素影響的問題，采用Sage-Husa自適應卡爾曼濾波對帶有白噪聲的參考軌跡 進行估計，以提高測量信息的真實性；滑模算法用來控制機器人的速度和轉向，實現機器 人的跟蹤控制且抑制外界干擾。利用Backstepping方法選擇用于跟蹤的速度控制律，選擇 PI型滑模面，借助機器人動力學模型確定等效控制量，當系統有外來干擾時，考慮切換控制量。此外，引入變速函數VS (S，ε)來代替Sgn(S)削弱抖動現象。該方法的主要問題在于控制器的結構和設計過程復雜，而且要求機器人能夠提供充分大的加速度，難于滿足溫室噴藥移動機器人控制的實時性要求。申請號是CN201110169879. 9，名稱為“輪式移動機器人的變結構控制方法”的專利申請公開了一種輪式移動機器人的變結構控制方法，采用多模態PID控制方法來控制機器人的直線移動；采用PID控制與規則控制相結合的控制方法來校正小車的前進方向；這兩種控制方式通過方向角和中心偏移量的變化進行轉換，機器人的轉彎控制通過轉彎方向信息與位置信息來控制機器人以原地直角轉彎方式進行轉彎，針對機器人所處的不同狀態采用不同的控制算法以及相應的控制參數，較傳統的PID控制方法，具有一定的智能性。但該專利技術本質上還是一種PID控制算法，由于溫室噴藥移動機器人是集作物待噴面積、病蟲害程度、距離信息、行走速度、噴藥量、藥液濃度等多個變量與一體的復雜系統，且各變量相互影響。此外，溫室環境中溫度、濕度、光照度、地面平整度、驅動輪制造誤差等因素以及某些作物、溫室骨架、管道和道路附屬物等干擾的存在，使得上述PID控制方法難以控制機器人沿著規劃的路徑行駛，實際軌跡易偏離理想作業路線，因此在作業區域會產生較大重噴和漏噴區域。另外，查閱國內在輪式移動機器人控制方面的專利情況可見，移動機器人控制專利大都是控制系統結構設計，由于機構本體的制造、裝配、磨損等各種原因以及復雜的非結構化農田場景對傳感器信息采集的精度影響，勢必會影響溫室移動機器人的軌跡跟蹤精度。從上述溫室移動機器人軌跡跟蹤控制相關技術可以看出，已有研究取得了一些成果，但是存在一定的局限性。模糊控制方法缺乏自學習能力，在移動機器人軌跡跟蹤控制系統中不能在線調整模糊控制規則，且在輸入量輸出量的隸屬函數選擇上帶有一定主觀性，自適應能力有限，難以獲得理想的軌跡跟蹤效果，另外，模糊規則依賴于操作人員的經驗，對于具有多輸入輸出量的溫室噴藥移動機器人控制系統，其推理規則 和模糊控制表較復雜；PID控制方法只對線性系統性或簡單的非線性系統適用，對于多變量、高度非線性且不確定因素及干擾并存的復雜溫室噴藥移動機器人系統，其控制效果并不理想；而基于 Backstepping方法的滑模控制的主要問題在于控制器的結構和設計過程復雜，而且要求機器人能夠提供充分大的加速度，難于滿足溫室噴藥移動機器人控制的實時性要求。
技術實現思路
本專利技術的目的是為克服上述現有技術的不足，針對溫室噴藥移動機器人，提出一種基于積分加權增益趨近律的滑模控制方法實現其軌跡跟蹤控制，該控制算法增益項中包含切換函數s積分的絕對值，當s趨近于零時，切換項的增益趨近于零，從而消除抖振；當系統狀態不在滑動模態時，雖然S值較大，由于積分加權系數kf為負，可有效避免當系統不在滑動模態階段時切換增益的增大。本專利技術所設計滑模控制器不依賴于被控對象精確的數學模型，具有響應快、對參數和環境變化不敏感、無需系統在線辨識、物理實現簡單等優點， 而積分加權增益趨近律的引入可有效消除滑模控制系統固有的抖振問題。在不增加系統硬件成本的條件下，通過軟件控制的方法提高移動機器人的軌跡跟蹤精度和抗干擾能力，從而進一步實現溫室移動機器人在行間對作物實施精準噴藥。本專利技術采用的技術方案是，用于噴藥移動機器人的軌跡跟蹤滑模控制系統，由車體位姿與驅動輪速度映射模塊、左輪控制系統和右輪控制系統組成；所述車體位姿與驅動輪速度映射模塊，用于根據帶有電機驅動軸干擾項的輪式移動機器人各驅動輪控制器的被控對象數學模型和計算機視覺系統識別出的行走路徑，確定在實現噴藥移動機器人路徑跟蹤過程中各支路驅動電機的期望速度軌跡《d，分別輸入左輪控制系統和右輪控制系統；所述左輪控制系統包括滑模控制器、驅動器、直流電機、齒輪箱和左輪，所述直流電機的輸本文檔來自技高網...

【技術保護點】
用于噴藥移動機器人的軌跡跟蹤滑模控制方法，其特征是，該方法采用如下步驟：1)對移動機器人進行機構分析，建立具有非完整性約束的移動機器人運動學模型；2)考慮溫室移動機器人行駛要求和結構特點及與之作用的土壤溫室環境因素，建立帶有電機驅動軸干擾項的輪式移動機器人各支路控制器的被控對象數學模型；3)利用計算機視覺系統識別出溫室農作物行或壟等區域的邊界作為行走路徑，根據步驟1）所推導的運動學模型，確定在實現噴藥移動機器人路徑跟蹤過程中各支路驅動電機的期望運動軌跡；4)利用增量式光電編碼器，采用測頻法對電機的轉速進行檢測，在考慮驅動輪滑轉的情況下，計算移動機器人左右驅動電動機的實際運動角速度ω，實際運動角加速度并計算各驅動電動機期望角速度與實際角速度的偏差e和偏差導數5)考慮移動機器人驅動電機特性及速度要求，選擇合適的滑模面參數，構建滿足驅動電機速度控制要求的滑模切換函數；6)在確定滑模面函數s基礎上，設計加權積分增益趨近律確定移動機器人左右驅動電動機的滑模控制器控制量；7)將移動機器人電機驅動控制量分別發送給左右電機驅動器，實現噴藥移動機器人溫室環境下的軌跡跟蹤。FDA00002474057700011.jpg,FDA00002474057700012.jpg...

【技術特征摘要】
1.用于噴藥移動機器人的軌跡跟蹤滑模控制方法，其特征是，該方法采用如下步驟 1)對移動機器人進行機構分析，建立具有非完整性約束的移動機器人運動學模型； 2)考慮溫室移動機器人行駛要求和結構特點及與之作用的土壤溫室環境因素，建立帶有電機驅動軸干擾項的輪式移動機器人各支路控制器的被控對象數學模型； 3)利用計算機視覺系統識別出溫室農作物行或壟等區域的邊界作為行走路徑，根據步驟I)所推導的運動學模型，確定在實現噴藥移動機器人路徑跟蹤過程中各支路驅動電機的期望運動軌跡； 4)利用增量式光電編碼器，采用測頻法對電機的轉速進行檢測，在考慮驅動輪滑轉的情況下，計算移動機器人左右驅動電動機的實際運動角速度ω，實際運動角加速度 ,并計算各驅動電動機期望角速度與實際角速度的偏差e和偏差導數 ; 5)考慮移動機器人驅動電機特性及速度要求，選擇合適的滑模面參數，構建滿足驅動電機速度控制要求的滑模切換函數； 6)在確定滑模面函數s基礎上，設計加權積分增益趨近律確定移動機器人左右驅動電動機的滑模控制器控制量； 7)將移動機器人電機驅動控制量分別發送給左右電機驅動器，實現噴藥移動機器人溫室環境下的軌跡跟蹤。2.根據權利要求1所述的模控制方法，其特征是 步驟4)中，考慮溫室地面和驅動輪滑轉的情況，實際的滑轉率與設置的理論速度，負載大小以及地面情況有關，其與理論速度近似成線性關系為3.根據權利要求1所述的控制方法，其特征是 所述步驟6)中加權積分增益趨近律為 V = -ks — k w |p| Sgn(-v)P = {k,p + s)dl, /: / <() 式中，s為滑模控制切換函數，P為加權積分增益項，sgn(s...

【專利技術屬性】
技術研發人員：高國琴，周海燕，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：