采用惯性测量单元的移动机器人轨迹跟踪方法研究

对于非完整移动机器人的轨迹跟踪控制已有很多方法提出,但是这些方法或者是基于动力学模型或者是采用复杂的运动学模型,对于缺少强大计算设备且需要实时控制的工程应用是不适合的.本文针对非完整移动机器人提出了一种基于比例微分(proportional-differential,PD)控制器的实时轨迹跟踪控制方法.该方法运行在40 MHz的嵌入式控制器上的控制周期只有1～2 ms.通过将一个用于直流电机控制的非线性PID速度控制器与提出的轨迹控制器进行集成,实现了一个轮式移动机器人的运动控制.机器人轨迹跟踪实验系统中采用微机电系统(micro electro-mechanical system,MEMS)惯性测量单元检测轮式移动机器人的偏航角,实验结果验证了提出方法的有效性.     

基于预测控制的非连续路段下移动机器人的轨迹跟踪

针对非连续路段下的轨迹跟踪问题,设计了基于观测型的预测控制器。首先建立了移动机器人的运动学模型,根据机器人的运动学模型得出了其位姿误差微分方程;然后在轨迹跟踪问题的基础上,设计了系统的观测模型,通过将预测控制器与系统的观测模型结合,设计了观测型预测控制器;最后再MATLAB环境下,利用本文所设计的控制器对移动机器人在非连续路段下的轨迹跟踪问题进行仿真,并将仿真结果与PID控制器控制的仿真结果进行对比,由仿真结果可以看出,本文所设计的控制器具有很好的鲁棒性、快速性及稳定性,可适用于移动机器人的轨迹跟踪的研究。     

基于惯性测量单元的轮式机器人轨迹跟踪仿真

针对轮式机器人轨迹跟踪质量下降问题,提出基于惯性测量单元(IMU)的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法.通过两个惯性测量单元(IMU)来建立轮式机器人的速度、角速度计算模型,针对轮式移动机器人执行中的差动命令对轮式机器人实施闭环控制;设计轮式机器人工作轨迹参考量,结合动力学模型提出轮式机器人轨迹跟踪控制器,使轮式机器人可以在指定的轨迹上进行跟踪.实验结果表明,提出的方法能够使轮式移动机器人的轨迹跟踪误差更小,跟踪结果更精准.     

基于轨迹跟踪车式移动机器人编队控制

针对车式移动机器人的运动学模型特点, 提出一种基于轨迹跟踪多机器人编队控制方法. 首先利用编队结构参数确定队形, 根据编队轨迹和相关参数生成虚拟机器人, 把编队控制转化为跟随机器人对虚拟机器人的轨迹跟踪; 然后运用反步法构造车式移动机器人轨迹跟踪系统的Lyapunov 函数, 通过使该函数负定, 得到跟随机器人的轨迹跟踪控制器; 最后在Microsoft robotics developer studio 4 (MRDS4) 中搭建3D 仿真平台, 设计了3 组实验, 所得结果表明了所提出方法的有效性.     

轮式移动机器人固定时间轨迹跟踪控制

针对存在外部干扰的轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种固定时间轨迹跟踪控制方案.首先,对于轮式移动机器人的运动学误差模型,基于一种新颖的积分滑模面设计固定时间运动学速度控制器,使跟踪误差在固定时间收敛到原点所在的邻域内;其次,对于轮式移动机器人的动力学模型,设计固定时间干扰观测器对外部干扰信息进行估计,提出一种固定时间轨迹跟踪控制器,以确保动力学系统的固定时间稳定性,实现轮式移动机器人的高精度轨迹跟踪控制;最后,通过仿真结果验证所设计的轨迹跟踪控制方案的有效性.     

履带式移动机器人轨迹跟踪研究

详细分析了履带式移动机器人的受力特点,提出了一种适宜进行控制器设计的履带移动机器人模型.根据履带式移动机器人动力学模型和运动学模型,设计了机器人的轨迹跟踪控制器.利用Lyapunov稳定判据证明控制器的全局稳定性.在控制器的设计中考虑了履带一地面作用,引入参数对其描述.考虑到机器人动力学约束,引入机器人速度、加速度控制策略以保证机器人运动平滑.仿真实验验证了该方法的有效性和全局收敛.     

信息融合在移动机器人轨迹模糊跟踪中的应用

在机器人轨迹跟踪过程中,机器人自动跟踪的精度直接影响跟踪效果;以3自由度移动机器人为研究对象研究了机器人轨迹模糊跟踪系统,且在该系统中,采用多个传感器同时对移动机器人进行跟踪检测,并利用融合算法对其进行融合,将融合后的结果作为模糊控制器的输入;计算机仿真结果表明,在3自由度移动机器人轨迹跟踪中,采用多传感器信息融合是合理的、可行的;且可以减少跟踪过程中由传感器引起的误差对跟踪精度的影响,提高控制精度.     

基于大数据聚类的移动机器人运动跟踪控制系统设计

目前研究的移动机器人运动跟踪控制系统控制过程易受到外界扰动影响,导致控制稳定性较差,运动跟踪准确性较差,为此,基于大数据聚类算法设计了一种新的移动机器人运动跟踪控制系统。硬件部分主控制器负责远程无线通讯,图像采集的数据传输和舵机驱动连接,驱动控制器为机器人行走提供动能保证;远程控制模块负责数据,图像和指令的传输;舵机控制模块机器人的行走、转向;软件部分首先通过大数据聚类的方法分析机器人移动步态,根据运动超声波传感器原理判定障碍物位置,考虑移动机器人运行状态与足端轨迹,构建机器人行走控制模型。通过髋关节调节机器人姿态,消除外部扰动对机器人姿态和运动速度的影响,得到抗扰动控制模型。实验结果表明,所设计系统在对机器人运动控制的稳定性及对抗外界扰动方法具有较好的性能,能够实现对移动机器人运动的准确跟踪。     

基于视觉图像的全向移动机器人轨迹跟踪控制研究

机器人轨迹节点跟踪比较难,导致机器人实际轨迹偏离期望轨迹,所以设计基于视觉图像的全向移动机器人轨迹跟踪控制方法。以滑模变结构控制闭环为基础,求解运动学模型、动力学模型表达式,实现对机器人移动轨迹数学模型的构建。按照视觉图像划分标准,完成对全向移动机器人运动图像的分割,通过分离目标节点的方式提取运动学特征参量,完成机器人轨迹节点跟踪处理。设置前馈控制器与扰动观测器,根据运动学不等式条件计算误差向量指标的取值范围,根据该值对主机元件的控制作用能力进行调节,实现全向移动机器人轨迹跟踪控制。对比实验结果表明,所设计的方法应用后,全向移动机器人角速度曲线、线速度曲线与期望运动轨迹曲线之间的贴合程度均超过90%,满足全向移动机器人轨迹跟踪控制要求。     

基于反步法的移动机器人鲁棒跟踪控制

以四轮移动机器人为研究对象,建立了机器人完整的数学模型,包括运动学模型、动力学模型以及驱动电机模型。在机器人数学模型的基础上,采用反步法的思想设计具有全局收敛特性的鲁棒轨迹跟踪控制器,设计中考虑了驱动电机模型使控制器更符合实际控制要求,并将其分解为运动学控制器、动力学控制器以及电机控制器三部分,降低了控制器设计的难度。构造了系统的李雅普诺夫函数,证明了该类型移动机器人在所得控制器作用下,能实现对给定轨迹的全局渐近追踪。仿真实验结果表明基于反步法的控制器是有效的。     

具有参数不确定性的轮式移动机器人自适应backstepping控制

针对参数不确定的轮式移动机器人的轨迹跟踪问题,设计自适应跟踪控制器.基于移动机器人的动力学模型,采用backstepping积分方法,通过逐步递推选择适当的Lyapunov函数,设计基于状态反馈的自适应控制器,并进行了相应的稳定性分析.与传统PID控制进行仿真对比,结果表明提出的自适应控制策略能较好地补偿系统参数摄动的影响,提高了移动机器人的轨迹跟踪性能和鲁棒性.     

Trajectory tracking control of mobile robots without using longitudinal velocity measurements

We propose a new robust trajectory tracking control scheme for wheeled mobile robots without longitudinal velocity measurements. In the proposed controller, a velocity observer is used to estimate the longitudinal velocity of a wheeled mobile robot. A wheeled mobile robot model, including motor dynamics, is used to develop the controller. The developed controller has the following useful properties. (1) The developed controller does not require any accurate knowledge of the robot parameters or the motor parameters. Even if there are uncertainties in the robot dynamics, including the motor properties, it is certain that tracking errors ultimately become uniformly bounded in a closed-loop system using the developed controller. (2) It is shown theoretically that the ultimate norms of tracking errors can easily be reduced by setting only one design parameter.     

A new adaptive tracking control scheme of wheeled mobile robot without longitudinal velocity measurement

This paper proposes a new adaptive trajectory tracking control scheme of the wheeled mobile robot without longitudinal velocity measurement. First, based on a kinematic controller, we obtain a new tracking error equation, which is suitable to develop an adaptive controller. Then, we develop a new adaptive trajectory tracking controller, which does not need any accurate values of the wheeled mobile robot parameters, including the driving motor parameters. Moreover, as the longitudinal velocity measurement is still difficult, this controller is developed without longitudinal velocity measurement. In addition, this new adaptive controller introduces a method to improve the control performance. The stability of the closed‐loop system is presented using the direct Lyapunov method. Finally, numerous simulations verify the effectiveness of the new controller.     

基于神经网络的不确定移动机器人鲁棒自适应跟踪控制

针对含运动学未知参数以及动力学模型不确定的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪问题,基于Radical Basis Function（径向基函数）神经网络,提出了一种鲁棒自适应控制器.首先,考虑移动机器人运动学参数未知的情况,提出了一种含自适应参数的运动学控制器,用以补偿参数不确定性导致的系统误差;其次,利用神经网络控制技术,对于机器人在移动中动力学模型不确定问题,提出了一种具有鲁棒性的动力学控制器,使得移动机器人可以在不知道具体动力学模型的情况下跟踪到目标轨迹;最后利用Lyapunov稳定性理论证明了整个系统的稳定性.通过数值仿真验证了所设计的控制器的可行性.     

基于Lyapunov稳定性理论的移动机器人轨迹跟踪控制

针对非完整轮式移动机器人的高度强耦合、欠驱动非线性动力学模型,设计了运动学控制器以及动力学力矩控制器,使得移动机器人轨迹能够跟踪理想轨迹。这种方法的实质是首先设计虚拟速度控制器,输出速度的期望值,然后设计基于模型的力矩控制器。最后通过simulink软件对所设计的系统进行仿真,结果表明对于非完整机器人的轨迹跟踪这种控制方法效果较好。     

基于变增益模糊PID控制的移动机器人轨迹跟踪

该文对轮式移动机器人提出了一种基于变增益的模糊PID轨迹跟踪控制方法。首先将常规PID分为PI和PD的组合,再把PID的输出转化为误差和误差变化率之和,然后设计增益随误差变化的自适应调节律,使得移动机器人跟踪期望的运动轨迹。最后通过实验验证了所提方法的有效性。     

存在滑移和侧滑的轮式移动机器人轨迹跟踪

轮式移动机器人由于存在非完整性约束,其轨迹跟踪有一定挑战性.实际机器人运动中由于轮胎变形或其他原因,往往存在侧滑和滑移,对存在滑移的轮式移动机器人进行了研究,对其建立运动学模型,对存在滑移的轮式移动机器人的轨迹跟踪进行研究.基于Iyapunov函数,提出了轨迹跟踪控制算法,最后使用Matlab进行仿真,证明该控制算法具有快速,精确,全局稳定的良好特性.     

滑动与打滑条件下的轮式移动机器人自抗扰跟踪控制

针对具有未知的滑动与打滑的轮式移动机器人(WMR),提出了一种基于自抗扰思想的跟踪控制策略.首先建立了滑动与打滑条件下的轮式移动机器人动力学模型.其次,由反步法设计运动学控制器,基于模型设计线性扩张观测器和动力学控制器,并给出了控制器稳定性分析.最后与积分滑模控制进行了仿真对比,结果表明该控制方法的误差收敛速度更快.观测器能够精确估计滑动与打滑及动力学不确定性对机器人的扰动,提高了轮式移动机器人轨迹跟踪的鲁棒性.     

动态滑模控制及其在移动机器人输出跟踪中的应用

针对轮式移动机器人的输出跟踪问题,提出一种动态滑模控制方法,首先给出机器人的动力学简化模型,然后将其分解成两个低阶子系统,并给出其输出跟踪的动态滑模控制器设计方法,仿真试验表明该方法能明显地削弱滑模控制系统的抖振。     

Practical consensus tracking control of multiple nonholonomic wheeled mobile robots in polar coordinates

This paper proposes a sliding‐mode control (SMC) method to achieve practical cooperative consensus tracking for a network of multiple nonholonomic wheeled mobile robots (MNWMRs) with input disturbances. A novel SMC surface under the nonholonomic constraints is first formulated to characterize the network communication interactions among the networked robots under the framework of polar coordinates. A unified distributed consensus tracking strategy is then proposed by systematically combining a position controller and a direction controller. Furthermore, a simple yet general criterion is derived to achieve the desired practical consensus of trajectory tracking and posture stabilization for MNWMRs. In particular, for a specific common consensus trajectory, the complete asymptotic tracking in heading direction can be fully guaranteed when the perfect asymptotic position‐tracking errors are realized. Accordingly, the developed consensus tracking strategy for MNWMRs demonstrates some advantages of control performance including stability, robustness, and effectiveness over the existing control method proposed for their single‐robot counterparts. Some comparative simulation results are given to confirm the effectiveness of the proposed cooperative consensus control method.