一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法

摘要

本发明提供一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，包括步骤：(1)通过惯性测量装置测得球形机器人在坡面的姿态与重摆的状态信息；通过里程计和编码器测得机器人在坡面的位置与速度信息；通过无线传输，机器人得到上位机发送来的运动目标位置信息；(2)所得信息通过串口传输给中央处理芯片；(3)所述中央处理芯片根据所得信息，通过模糊滑模控制器计算出球形机器人当前状态下所需的驱动力矩并实时控制机器人的运动。本发明的优点在于：(1)模糊控制降低了控制对于系统建模准确性的要求；(2)所用模糊滑模控制器提高了控制的鲁棒性；(3)模糊控制的引入，大大加快了系统的收敛速度，改善了现有模糊控制器调节精度不足的问题。

说明书

技术领域

本发明属于移动机器人运动控制领域，特别涉及一种基于模糊滑模控制器的球形机器人 坡面运动控制方法。

背景技术

球形机器人作为一种特殊类型的移动机器人，较之于传统的轮式、履带式机器人有着诸 如不倒、零半径转弯、保护内部结构等诸多优点，但是球形的外壳同样也带来了球形机器人 爬坡与越障运动困难的问题。作为移动机器人的一种，爬坡能力是其实际应用的重要指标， 爬坡能力不足，爬坡控制困难也大大限制了球形机器人在实际生产生活中的应用。球形机器 人的爬坡运动作为重要运动方式之一，也引起了国内外众多学者的广泛关注。Bicchi等对其 设计的球形机器人进行了系统的分析，建立了该机器人直线运动的动力学模型，并在该模型 状态空间形式的基础上，提出了路径规划方法，但并未给出坡面运动的控制方法。北京航空 航天大学的战强等人针对BHQ-1G做了球形机器人爬坡能力的分析，但并没有建立相关的动力 学模型与控制方法。哈尔滨工业大学的岳明等人对其设计的球形机器人做了爬坡能力分析， 建立了动力学模型，并建立了其在爬坡状态下的最优控制器取得了较好的控制效果。但在系 统建模时对于系统状态变量的耦合做了近似线性化的处理，使得非平衡摆角附近的控制性能 下降，同时在最优控制器的设计中没有考虑非平衡点附近参数摄动和外界环境变化带来的影 响，使得系统的抗干扰能力不足。本发明采用模糊滑模控制器的方法，实现了对球形机器人 在坡面运动的控制，具有很好的抗干扰能力。

发明内容

本发明旨在提供一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，以解决现有 球形机器人坡面运动控制方法对建模准确性依赖大、抗干扰能力差等问题。

本发明目的在于克服上述现有技术存在的缺点与不足，提供一种基于模糊滑模控制器的 球形机器人坡面运动控制方法。为达上述目的，本发明采用采用如下技术方案：

1.一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，其特征在于，包括以下步 骤：

S1、通过惯性测量装置测得的球形机器人在坡面的姿态信息，得到当前球形机器人重摆 的状态信息，所述重摆的状态信息包括重摆的摆角参数，重摆的摆角速度参数；通过里程计 和光电编码器测得球形机器人在坡面的位置与速度信息，所述球形机器人在坡面的位置与速 度信息包括球形机器人运动速度参数，球形机器人运动距离参数；通过无线串口传输，球形 机器人得到上位机发送来的球形机器人坡面运动的目标停止位置信息；

S2、所述球形机器人重摆的状态信息与球形机器人在坡面的位置与速度信息以及球形机 器人坡面运动的目标停止位置信息通过串口传输给中央处理芯片；

S3、所述中央处理芯片根据球形机器人重摆的状态信息与球形机器人在坡面的位置与速 度信息以及球形机器人坡面运动的目标停止位置信息，通过模糊滑模控制器计算出球形机器 人当前状态下所需的驱动力矩；

S4、利用计算得到的所需驱动力矩驱动球形机器人完成在坡面的运动。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，其特 征在于，所述步骤S1包括：根据陀螺仪测角原理，得到球形机器人在前进方向的姿态参数， 得到驱动重摆的实时摆角及摆角速度；根据光电编码器测速原理，测得电机实时转速，通过 与摆角速度求和得到球形机器人当前的运动速度；根据里程计的测位移原理，测得球形机器 人的运动位移。

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，其 特征在于，所述步骤S2包括：实时采集球形机器人坡面运动控制所需控制的几个状态变量的 实时数值，将采集得到的状态变量数据，即球形机器人重摆的状态信息与球形机器人在坡面 的位置与速度信息通过串口传输给中央处理芯片；实时接收球形机器人坡面运动位置控制目 标，将所要求的坡面停止位置目标通过串口传输给中央处理芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，其 特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31、对球形机器人坡面运动控制所需控制的两个状态量及其目标值，分别设置一级滑模 面；

S32、将两级滑模面组合为一级滑模面，对变量做降维处理，同时制定各模糊控制器的规 则表与隶属度函数，通过模糊控制器计算当前所需电机控制力矩。

5.根据权利要求4所述的一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，其 特征在于，所述步骤S31包括：根据球形机器人实际应用中对于运动到坡面任意位置停止的控 制目标，在此对系统的两组状态变量分别选取滑模面：

S₁＝λ₁e₁+e₂，S₂＝e₄

式中分别对应球形机器人期望滚动角与实际滚动角的误 差，期望滚动角速度与实际滚动角速度的误差，重摆期望摆动角速度与实际角速度的误差，θ_d为球形机器人期望滚动角。λ₁对应切换面1的斜率，为了满足可达性条件，取λ₁为正实数。

6.根据权利要求4所述的一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，其 特征在于，所述步骤S32包括：为了达到为模糊控制输入降维的作用，在此将两级滑模面合成 一级总滑模面：

S＝S₁+λ₂S₂

式中λ₂为总滑模面中滑模面二的权系数，为了满足可达性条件，λ₂取为实数。

取总滑模函数S的输入论域为[-m,m]，滑模函数的导数的输入论域为[-n,n]，输出力 矩u的输出论域为[-m,m]，其中于是可以得出如下表1所示模糊规则表：

表一：模糊控制规则表

7.根据权利要求1所述的一种基于模糊滑模控制器的球形机器人坡面运动控制方法，其 特征在于，所述步骤S4包括：利用步骤S3计算得到的电机所需驱动力矩，通过电机驱动器的 力矩控制模式，以计算得到的电机所需驱动力矩驱动电机运动。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及技术效果：

1、将模糊控制运用于球形机器人坡面运动控制中，降低了控制对于系统建模准确性的要 求；

2、通过采用模糊滑模控制器对球形机器人的坡面运动进行控制，结合了模糊控制与滑模 变结构控制的优点，提高了控制的鲁棒性，大大增强了系统的抗干扰能力；

3、模糊控制的引入，大大加快了系统的收敛速度，所控制状态变量能够更快趋于目标值， 降低了调节时间，同时本模糊滑模控制器的设计也改善了现有模糊控制器调节精度不足的问 题，使得控制更加准确。

附图说明

图1为实施过程中的球形机器人坡面运动姿态简图；

图2为本发明模糊滑模控制器流程图；

图3a、图3b分别为本发明模糊滑模控制器控制球形机器人坡面运动时机器人滚过角度与 重摆摆角实验曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细描述，但本发明的实施方式不限于此实施 例。

如图1到图3所示，本发明包括下列步骤：

S1、通过惯性测量装置测得的球形机器人在坡面的姿态信息，得到当前球形机器人重摆 的状态信息，所述重摆的状态信息包括重摆的摆角参数，重摆的摆角速度参数；通过里程计 和光电编码器测得球形机器人在坡面的位置与速度信息，所述球形机器人在坡面的位置与速 度信息包括球形机器人运动速度参数，球形机器人运动距离参数；通过无线串口传输，球形 机器人得到上位机发送来的球形机器人坡面运动的目标停止位置信息；

S2、所述球形机器人重摆的状态信息与球形机器人在坡面的位置与速度信息以及球形机 器人坡面运动的目标停止位置信息通过串口传输给中央处理芯片；

S3、所述中央处理芯片根据球形机器人重摆的状态信息与球形机器人在坡面的位置与速 度信息以及球形机器人坡面运动的目标停止位置信息，通过模糊滑模控制器计算出球形机器 人当前状态下所需的驱动力矩；

S4、利用计算得到的所需驱动力矩驱动球形机器人完成在坡面的运动。

所述步骤S1包括：根据陀螺仪测角原理，得到球形机器人在前进方向的姿态参数，得到 驱动重摆的实时摆角及摆角速度；根据光电编码器测速原理，测得电机实时转速，通过与摆 角速度求和得到球形机器人当前的运动速度；根据里程计的测位移原理，测得球形机器人的 运动位移。

所述步骤S2包括：实时采集球形机器人坡面运动控制所需控制的几个状态变量的实时数 值，将采集得到的状态变量数据，即球形机器人重摆的状态信息与球形机器人在坡面的位置 与速度信息通过串口传输给中央处理芯片；实时接收球形机器人坡面运动位置控制目标，将 所要求的坡面停止位置目标通过串口传输给中央处理芯片。

所述步骤S3包括以下步骤：

S31、对球形机器人坡面运动控制所需控制的两个状态量及其目标值，分别设置一级滑模 面；

S32、将两级滑模面组合为一级滑模面，对变量做降维处理，同时制定各模糊控制器的规 则表与隶属度函数，通过模糊控制器计算当前所需电机控制力矩。

所述步骤S31包括：根据球形机器人实际应用中对于运动到坡面任意位置停止的控制目 标，在此对系统的两组状态变量分别选取滑模面：

S₁＝λ₁e₁+e₂，S₂＝e₄

式中分别对应球形机器人期望滚动角与实际滚动角的误 差，期望滚动角速度与实际滚动角速度的误差，重摆期望摆动角速度与实际角速度的误差，θ_d为球形机器人期望滚动角。λ₁对应切换面1的斜率，为了满足可达性条件，取λ₁为正实数。

所述步骤S32包括：为了达到为模糊控制输入降维的作用，在此将两级滑模面合成一级总 滑模面：

S＝S₁+λ₂S₂

式中λ₂为总滑模面中滑模面二的权系数，为了满足可达性条件，λ₂取为实数。

取总滑模函数S的输入论域为[-m,m]，滑模函数的导数的输入论域为[-n,n]，输出力 矩u的输出论域为[-m,m]，其中于是可以得出如下表1所示模糊规则表：

表一：模糊控制规则表

所述步骤S4包括：利用步骤S3计算得到的电机所需驱动力矩，通过电机驱动器的力矩控 制模式，以计算得到的电机所需驱动力矩驱动电机运动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制， 其他的任何依照本发明所做的参数修改、替代、组合、简化，均可以等效为置换方式，都包 含在本发明的保护范围之内。