一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法与流程

技术特征：
1.一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)基于坐垫服务机器人的动力学模型，拆分影响结构变化的物理量，构建结构变化的神经网络估计模型，建立坐垫服务机器人具有结构估计的动力学模型；2)基于有限时间稳定理论设计跟踪控制器，抑制结构变化对系统跟踪精度的影响，实现系统在有限时间条件下的稳定性。2.根据权利要求1所述一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法，其特征在于系统的动力学模型描述如下其中其中x(t)表示坐垫服务机器人的实际运动轨迹，u(t)表示机器人的控制输入力，m表示机器人的质量，m表示使用者的质量，i0表示转动惯量，m0,b(θ)为系数矩阵；θ表示水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角，即θ＝θ1，由坐垫服务机器人结构可知，l表示系统中心到每个轮子中心的距离，r0表示中心到重心的距离(i＝1,2,3)；由式(1)可知r0影响机器人的结构变化，将r0从m0中分离，并将m0表示为m0＝m1 δm1，其中m1由机器人质量、使用者质量及转动惯量组成，δm1表示结构变化的物理量，且拆分动力学模型(1)中影响结构变化的物理量，建立刻画坐垫服务机器人具有结构变化的动力学模型如下其中表示坐垫服务机器人结构变化的物理量，由坐垫服务机器人的特性可知，s(r0)具有结构变化和非线性特征，影响机器人的跟踪精度和安全性。3.根据权利要求2所述一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法，其特征在于利用坐垫服务机器人具有结构变化的动力学模型(2)，通过神经网络模型估计s(r0)，进而建立具有估计人机系统结构变化的动力学模型；令x(t)表示坐垫服务机器人的实际行走轨迹，x
d
(t)表示指定的训练轨迹，设轨迹跟踪误差e1(t)和速度跟踪误差e2(t)分
别为e1(t)＝x(t)
‑
x
d
(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中α表示待设计的参数，e1(t)＝[e
11
(t) e
12
(t) e
13
(t)]
t
分别表示x轴、y轴和旋转角方向的轨迹跟踪误差，e2(t)＝[e
21
(t) e
22
(t) e
23
(t)]
t
分别表示x轴、y轴和旋转角方向的速度跟踪误差；设计s(r0)的神经网络估计模型如下：其中表示辅助变量，且z1(t)＝[z
11
(t),z
12
(t),z
13
(t)]
t
，z
1g
(t)(g＝1,2,3)分别表示x轴，y轴和旋转角方向的辅助变量；为的伪逆矩阵，k1＝diag(k
11
,k
12
,k
13
)表示参数矩阵；并且e＝[e1(t) e2(t)]
t
表示网络的输入向量，表示网络权值的估计值，并且σ(e)＝[σ1(e) σ2(e)...σ
n
(e)]
t
，且σ
f
(e)(f＝1,2,
…
,n)表示高斯函数如下：其中β
j
和σ
j
分别表示第f个节点函数的中心和基宽参数；设网络最优估计权值为δ
*
，对于给定的小正数ε0，设计估计误差如下：定义表示权值估计误差，则有因此可得s(r0)的表达形式如下：进而根据式(2)和式(8)，得到坐垫服务机器人具有结构变化估计的动力学模型如下：4.根据权利要求3所述一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法，其特征在于根据式(3)(4)(9)，得到跟踪误差系统如下：由式(10)及辅助变量z1(t)可得跟踪误差系统为：设计有限时间控制器及适应结构变化的网络估计权值如下：
其中为b(θ)的伪逆矩阵，k2＝diag(k
21
,k
22
,k
23
)和k3分别表示参数矩阵；设计李雅普诺夫函数如下：对式(13)沿误差系统(11)求导得：将有限时间控制器(12)带入式(14)，可得：将带入式(15)，得进一步，根据式(12)有：进一步，根据式(12)有：进一步，根据式(12)有：这样由式(16)可以得到从而可知跟踪误差系统(11)有限时间稳定；其中定；其中
接下来，求解误差系统稳定的有限调整时间；设存在常数0≤k0≤1，则得到关于的如下不等式：设有集合：将式(18)带入式(17)，得到：进一步根据式(18)得到有限调整时间为：因此，坐垫服务机器人在有限时间内适应系统结构变化，稳定跟踪指定的运动轨迹。

技术总结
本发明公开了一种服务机器人有限时间适应结构变化的跟踪控制方法。其特征为：利用坐垫机器人的动力学模型，拆分影响结构变化的物理量，构建结构变化的神经网络估计模型，建立坐垫机器人具有结构估计的动力学模型；基于有限时间稳定理论设计跟踪控制器，抑制结构变化对系统跟踪精度的影响，使系统在有限时间内实现稳定；基于STM32G4系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，使机器人适应结构变化并跟踪指定的运动轨迹。该方法从结构变化的新视角解决了人机系统的跟踪精度问题，并提出了有限时间适应结构变化的控制方法，使人机系统抑制结构变化且在有限时间内实现稳定的跟踪运动，提高了人机系统的跟踪性和安全性。提高了人机系统的跟踪性和安全性。提高了人机系统的跟踪性和安全性。


技术研发人员：孙平 孙桐 李树江 王硕玉 常洪彬 唐非 谢静
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2021.07.05
技术公布日：2021/9/21