基于参考轨迹的移动机器人避碰决策及轨迹跟踪方法

针对车间物流移动机器人轨迹跟踪的鲁棒控制问题，提出一种基于参考轨迹信息的避碰决策及轨迹跟踪控制方法。首先，基于参考轨迹全局信息构建了避碰触发条件，较现有的基于当前相对位置和相对速度信息的避碰条件更为精准，避免非必要的避碰动作；然后，综合考虑参考轨迹全局信息和避碰触发条件，设计了考虑避碰约束的移动机器人模型预测轨迹跟踪控制算法。仿真结果表明，本文所提方法在时间扰动和位置扰动下具有良好的避碰与轨迹跟踪性能，可实现多种场景下多移动机器人的鲁棒轨迹跟踪控制。     

基于领航-跟随法的多机器人编队控制

编队控制是多机器人系统研究的核心问题之一,具有广泛的研究价值。针对编队问题,通过对轮式差分驱动机器人运动模型进行分析,并设计相应的控制器。在传统的领航-跟随模型上,引入“虚拟机器人”,将跟随者机器人对领航者机器人的轨迹跟踪转换为跟随者对“虚拟领航者”的轨迹跟踪。首先,预设定实际领航者机器人的行进路径,由实际领航者引导运动方向的运动轨迹被视为主轨迹,虚拟机器人通过数据产生参考点从而生成参考轨迹,跟随者机器人通过对参考轨迹的跟踪与“虚拟领航者”构成轨迹误差跟踪系统。然后通过Lyapunov的控制理论验证控制器的理论可行性,最后在MATLAB/Simulink仿真平台进行实验,通过改变控制参数来使机器人形成相应的期望队形,在较短的时间内,跟随机器人对参考轨迹的跟踪误差趋向于0且速度收敛,验证了编队系统的可行性。     

三关节移动机械臂轨迹跟踪控制的研究

三关节移动机械臂是由移动平台及固定在移动平台上的三关节机械臂组成的机器人系统。文章对三关节移动机械臂进行了运动学和动力学建模,提出了一种基于自适应动态滑模控制的轨迹跟踪控制方法。对受外界干扰影响的移动机械臂系统的数学模型进行了输入/输出线性化处理,并设计了一种带有不确定性上界估计的自适应动态滑模轨迹跟踪控制器。从理论上分析了闭环机器人控制系统的稳定性,并利用MATLAB轨迹跟踪控制仿真实验验证了所提出的轨迹跟踪控制方法的有效性。     

基于参数自适应神经动力力学的轮式机器人轨迹跟踪控制

轮式机器人具有复杂多变的非线性、强耦合以及时变的动力学特点,采用传统的机器人轨迹跟踪控制容易产生较大的速度突变,导致机器人在控制过程中产生抖振现象,为此提出了一种基于参数自适应神经动力力学的轮式机器人轨迹跟踪控制方法。通过运动学分析并建立轮式机器人的位姿误差模型,采用神经动力学设计机器人轨迹跟踪控制器;分析比较不同参数取值与控制量之间的关系,设计了一种参数自适应方法进一步提高轨迹跟踪控制器的性能;最后,通过对所设计的控制方法进行了仿真实验。实验结果表明,所设计的控制方法能够保证机器人拥有较小的速度突变,在出现误差情况下能够以较快速度收敛,在轨迹跟踪上拥有较高的精度。     

多关节机器人反馈线性化双模糊滑模控制

为了提高多关节机器人轨迹跟踪控制性能,提出了一种反馈线性化双模糊滑模控制方法。该方法在对机器人非线性动力学模型反馈线性化的基础上,设计了一种双模糊滑模控制器。通过设计一个模糊控制器,根据跟踪误差和误差变化率自适应地调整滑模面的斜率,从而加快响应速度。通过设计另一个模糊控制器,根据滑模面自适应地调整滑模控制的切换控制部分,从而减弱抖振。利用李亚普诺夫定理证明了控制系统的稳定性。针对空间三关节机器人进行了仿真实验,结果表明了所提方法的有效性。     

基于期望动力学的柔性关节控制器设计

协作机器人具有灵活,安全特点,已广泛应用于自动化领域以及中小企业中。为了保证与人交互的安全性,协作机器人通常采用中空电机与中空减速器配合的设计方案,以降低关节转动惯量,从而获得良好的外力感知与控制能力,这种设计导致协作机器人的关节具有了柔性。针对具有柔性关节的轻量级协作机器人,设计了一种基于期望动力学的柔性关节控制器,提高柔性关节机器人的轨迹跟踪精度和抖动抑制能力。在具有谐波减速器和力矩传感器的柔性关节上,基于连杆侧位置反馈与关节力矩反馈实现了从经典的电机侧控制到连杆侧控制的转变,并借助储存函数建立李雅普诺夫函数证明了该控制器的无源性与渐近稳定性。最后,通过Simulink仿真与单关节实验平台的关节轨迹追踪实验验证了柔性关节控制器的性能,结果显示其与全状态反馈控制相比具有关节力矩波动小、抖动抑制快以及轨迹跟踪误差小等优点。     

多机器人动态避碰及抬箱编队仿真研究

觅食、推箱以及编队是多机器人系统研究中的经典任务形式,提出的新的多机器人任务:抬箱任务是由觅食、推箱以及编队等任务拓展而来,适用领域非常广阔。设计了多机器人在动态环境中的各种反应行为,实现了多机器人之间的动态避碰;提出了围绕固定物体边缘形成抬箱队形的算法,该算法的设计具有可扩展性,详细考察了机器人之间发生碰撞的情形,并根据人类避碰的一般策略完全实现了机器人之间的动态避碰。仿真结果证实了算法的可行性。     

基于快速终端滑模的机器人轨迹跟踪避障方法

针对非完整轮式机器人有限时间精准轨迹跟踪避障问题,设计了一种基于全局快速终端滑模方法,兼具无抖振、收敛时间可调等优点的轨迹跟踪控制器。首先,在载体坐标系下建立轮式机器人运动学模型;其次,构造包含终端吸引子和指数收敛项的全局快速终端滑模轨迹跟踪控制器,通过Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能确保轨迹与航向角跟踪误差均能在有限时间内收敛于较小的零域范围内;最后,引入人工势场避障方法,实现了机器人严格跟踪参考轨迹的同时绕开障碍物。实验结果表明,该方法能实现在避障的同时对于给定参考轨迹的有限时间稳定跟踪控制。     

基于快速终端滑模的机器人轨迹跟踪避障方法（英文）

针对非完整轮式机器人有限时间精准轨迹跟踪避障问题,设计了一种基于全局快速终端滑模方法,兼具无抖振、收敛时间可调等优点的轨迹跟踪控制器。首先,在载体坐标系下建立轮式机器人运动学模型;其次,构造包含终端吸引子和指数收敛项的全局快速终端滑模轨迹跟踪控制器,通过Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能确保轨迹与航向角跟踪误差均能在有限时间内收敛于较小的零域范围内;最后,引入人工势场避障方法,实现了机器人严格跟踪参考轨迹的同时绕开障碍物。实验结果表明,该方法能实现在避障的同时对于给定参考轨迹的有限时间稳定跟踪控制。     

蛇形机器人跟踪误差预测的自适应轨迹跟踪控制器

为了满足蛇形机器人轨迹跟踪运动的精度需要,消除外界干扰对机器人跟踪误差的影响,提出了一种蛇形机器人跟踪 误差预测的自适应轨迹跟踪控制器。 所提出的控制器实现了机器人干扰变量、摩擦系数和控制参数的预测,并用预测值和虚拟 控制函数来补偿系统的控制输入,抵消了蛇形机器人在轨迹跟踪过程中的侧滑角,避免了干扰变量对机器人带来的负面影响, 提高了轨迹跟踪的误差稳定性与控制精度。 在建立蛇形机器人模型后,利用积分形式的侧滑角补偿项改进了视线法,并设计了 蛇形机器人的自适应轨迹跟踪控制器。 使机器人的位置误差在 10 s 内实现收敛,角度误差小于 0. 03 rad,预测值误差在 5 s 内 收敛。 通过仿真实验,验证了所提出的控制器的有效性和优越性。     

A switching formation strategy for obstacle avoidance of a multi-robot system based on robot priority model

This paper describes a switching formation strategy for multi-robots with velocity constraints to avoid and cross obstacles. In the strategy, a leader robot plans a safe path using the geometric obstacle avoidance control method (GOACM). By calculating new desired distances and bearing angles with the leader robot, the follower robots switch into a safe formation. With considering collision avoidance, a novel robot priority model, based on the desired distance and bearing angle between the leader and follower robots, is designed during the obstacle avoidance process. The adaptive tracking control algorithm guarantees that the trajectory and velocity tracking errors converge to zero. To demonstrate the validity of the proposed methods, simulation and experiment results present that multi-robots effectively form and switch formation avoiding obstacles without collisions.     

Symmetric caging formation for convex polygonal object transportation by multiple mobile robots based on fuzzy sliding mode control

In this paper, the problem of object caging and transporting is considered for multiple mobile robots. With the consideration of minimizing the number of robots and decreasing the rotation of the object, the proper points are calculated and assigned to the multiple mobile robots to allow them to form a symmetric caging formation. The caging formation guarantees that all of the Euclidean distances between any two adjacent robots are smaller than the minimal width of the polygonal object so that the object cannot escape. In order to avoid collision among robots, the parameter of the robots radius is utilized to design the caging formation, and the A⁎ algorithm is used so that mobile robots can move to the proper points. In order to avoid obstacles, the robots and the object are regarded as a rigid body to apply artificial potential field method. The fuzzy sliding mode control method is applied for tracking control of the nonholonomic mobile robots. Finally, the simulation and experimental results show that multiple mobile robots are able to cage and transport the polygonal object to the goal position, avoiding obstacles.     

纵向打滑状态下轮式移动机器人轨迹跟踪控制

针对轮式移动机器人纵向打滑状态下滑动参数未知的轨迹跟踪控制问题,提出了一种轨迹跟踪控制方法。建立了纵向打滑状态下移动机器人的运动学模型,用滑动 参数表示左右轮的打滑程度;设计合适的滑模观测器对未知的滑动参数进行估计,并通过低通滤波器减少抖振对估计结果产生的影响;基于Lyapunov直接法设计轨迹跟踪控制律,并提出了一种根据控制系统的极点分布确定控制参数的方法。仿真结果验证了所提方法的准确性和有效性。     

基于贝塞尔曲线的机器人非时间轨迹跟踪方法

在复杂环境的轨迹跟踪过程中,针对移动机器人不确定时延导致控制品质下降问题,提出基于五次贝塞尔(Quintic Bezier)曲线的移动机器人非时间参考轨迹跟踪控制方法。首先,利用Quintic Bezier曲线对规划路径点进行平滑,并根据连续约束进行优化,完成多段Quintic Bezier曲线的光顺拼接,获得平滑且连续的轨迹;而后以Quintic Bezier曲线参数u作为中间映射量,构建路径长度与轨迹坐标间的状态映射模型,设计移动机器人非时间运动参考量;在此基础上,根据移动机器人运动学模型,提出一种奇异点旋转映射技术,消除奇异点对轨迹跟踪控制品质的影响。实验结果说明,所用方法能提高规划路径的平滑性与连续性,增强移动机器人不确定时延跟踪控制的鲁棒性,避免了奇异点的影响。     

Local collision avoidance of multiple robots using avoidability measure and relative distance

This paper presents a new method driving multiple robots to their goal position without collision. To consider the movement of the robots in a work area, we adopt the concept of avoidability measure. The avoidability measure figures the degree of how easily a robot can avoid other robots considering the velocity of the robots. To implement the concept to avoid collision among multiple robots, relative distance between the robots is proposed. The relative distance is a virtual distance between robots indicating the threat of collision between the robots. Based on the relative distance, the method calculates repulsive force against a robot from the other robots. Also, attractive force toward the goal position is calculated in terms of the relative distance. These repulsive force and attractive force are added to form the driving force for robot motion. The proposed method is simulated for several cases. The results show that the proposed method steers robots to open space anticipating the approach of other robots. In contrast, since the usual potential field method initiates avoidance motion later than the proposed method, it sometimes fails preventing collision or causes hasty motion to avoid other robots. The proposed method works as a local collision-free motion coordination method in conjunction with higher level of task planning and path planning method for multiple robots to do a collaborative job.     

欠驱动机器人最优运动轨迹生成与跟踪控制

以被动关节自由的欠驱动机器人为研究对象,对其最优运动规划与轨迹跟踪控制问题进行研究,控制目标为实现欠驱动机器人关节的任意位置控制.对欠驱动机器人系统的可控性条件进行分析,提出部分稳定规划器的思想,利用遗传算法对建立的适应度函数进行全局优化,得到部分稳定规划器的最优切换顺序.利用变结构控制方法进行反馈控制,实现了期望轨迹的精确跟踪.提出的方法一方面利用遗传算法的全局搜索能力,不必考虑机器人的严格线性化,能够快速、准确地实现路径寻优,且具有很好的稳定性:另一方面采用的变结构控制方法能够对系统干扰及参数变化具有良好的自适应性,因此本方法可以很容易推广到多自由度欠驱动机器人系统控制当中.通过末关节为被动关节的平面3自由度机器人进行仿真,仿真结果证明了方法的有效性.     

Collision-free control of mobile manipulators in a task space

This work offers the solution at the control feed-back level of the end-effector trajectory tracking problem for mobile manipulators subject to state equality and/or inequality constraints, suitably transformed into control dependent ones. Based on the Lyapunov stability theory, a class of controllers fulfilling the above constraints and generating a collision-free mobile manipulator trajectory with (instantaneous) minimal energy, is proposed. The problem of collision avoidance is solved here based on an exterior penalty function approach which results in continuous and bounded mobile manipulator controls even near boundaries of obstacles. The numerical simulation results carried out for a mobile manipulator consisting of a non-holonomic unicycle and a holonomic manipulator of two revolute kinematic pairs, operating both in a two-dimensional unconstrained task space and task space including the obstacles, illustrate the performance of the proposed controllers.     

基于非线性优化算法的工业机器人轨迹跟踪自动控制

为完成机器人高效率工业生产任务，提出一种基于非线性优化算法的工业机器人轨迹跟踪自动控制方法。考虑杆件运动重力因素，从角速度、加速度等方面明确工业机器人动力学规律；使用具备非线性优化性质的蚁群算法规划运动轨迹，引入人工势场法计算待选节点和目标节点的间距，评估当前路径是否为最佳路径并更新信息素，输出最优工业机器人运行路线；计算机器人相对功率因数校正控制量，运用粒子群算法求解轨迹跟踪预测控制序列，通过支持向量机构建轨迹跟踪自动控制模型。实验结果表明，所提方法的轨迹跟踪稳定性强、精度高，能满足工业生产的实时动态需求，实用性强。     

农业轮式移动机器人自适应滑模路径跟踪控制

针对不确定性干扰影响下的农业轮式移动机器人鲁棒自适应路径跟踪问题,提出一种非时间参考的自适应滑模路径跟踪控制方法。首先,选择合适的非时间参考量,建立面向移动机器人路径跟踪控制器设计的相对运动学模型,摆脱了时间和速度因素的影响。其次,对传统的指数趋近律进行改进,设计了新型的快速趋近律。此外,引入RBF神经网络对不确定性干扰进行实时估计,进而提出一种基于新型趋近律的自适应滑模控制方法,并对其性能进行了理论分析与证明。该控制方法既消除了抖振现象又提高了轮式移动机器人在不确定性干扰作用下的路径跟踪性能。最后,通过仿真验证了提出方法的有效性和优越性。