輪式移動機器人軌跡跟蹤控制研究

丁權　馮金龍

摘 要：科技的進步已經使機器人被廣泛應用于生活中的各個領域，例如，農業生產、服務業、探測等。機器人能夠代替人工完成大量危險或繁重的工作。輪式移動機器人是使用較為廣泛的一種機器人類型，它具備良好的軌跡跟蹤控制性能。文章對輪式移動機器人軌跡跟蹤控制的原理進行了介紹，并構建了一定的軌跡跟蹤控制模型，分析了軌跡控制的規律。

關鍵詞：輪式移動機器人；軌跡跟蹤控制；模糊控制

機器人的誕生和應用可以追溯到上個世紀，它的使用給許多產業帶來了生產自動化上的提高。自1956年，第一臺機器人出現以來，機器人的功能得到了不斷的完善，應用也得到了不斷的推廣。移動機器人在日常生活中的應用給人們帶來了極大的便利，而當前機器人研究領域的主要關注點就是研發出低成本、高性能的自主移動機器人。文章以機器人的網絡化控制系統為基礎，研究了輪式移動機器人的軌跡跟蹤控制方法。

1 移動機器人的研究領域

當前，移動機器人的研究方向主要分為兩個方面。一種是從工業生產的需要出發，設計和研制出具有特定應用功能的機器人。第二種是將移動機器人作為研究人工智能技術的工具，從技術的角度進行仿生功能的研究。人工智能是當前許多科技研究領域的重點，因此在機器人的研究中也更傾向于后一種。

近年來，機器人的設計和開發越來越向著實用化的方向發展，這就對移動機器人的運動系統、導航系統、感知系統等提出了更高的要求。移動機器人應當具備良好的環境適應性、交互性和獨立性，這樣才能有效的協助人類完成各項工作。

2 移動機器人的軌跡跟蹤控制問題

輪式機器人是一類在生活中應用十分廣泛的機器人，因此它的跟蹤控制問題獲得了人們的廣泛關注。跟蹤控制是機器人的一項重要性能，影響到許多功能的發揮，因此在設計的過程中必須經過嚴格的考慮。輪式移動機器人的跟蹤控制主要有軌跡跟蹤控制和路徑跟蹤控制兩種。軌跡跟蹤控制中，移動機器人的跟蹤軌跡是以時間關系軸的方式呈現的，而在路徑跟蹤控制中則是以幾何圖形的形式呈現的。由此可以得出，當移動機器人需要在規定的時間內到達一個指定的區域時，就必須采用軌跡跟蹤控制的方式。

3 移動機器人軌跡跟蹤控制的研究現狀

由于軌跡跟蹤控制的方式是通過時間的變化來建立模型的，屬于一種非線性的控制方法，在機器人的控制當中屬于難度較大的。為了提高移動機器人軌跡跟蹤控制的效率，出現了各種非線性控制的研究理論。

3.1 非線性狀態的反饋

非線性狀態的反饋是以機器人的非完整運動為基礎建立的運動模型。非線性狀態下會形成一個閉合的系統，通過研究機器人預期運動軌跡與實際運動軌跡之間的差量分析來實現控制。

3.2 滑模控制法

滑模控制法是通過高速開關的使用，使得移動機器人的運動狀態趨近于一個曲面，這個曲面被稱為開關表面。此后一段時間內，機器人的運動都控制在這一個曲面當中，但在實際運行的過程中，機器人會出現抖振的現象，從而影響控制的效果。

3.3 后退控制法

后退控制法是通過一定的函數來構建控制器，并通過完善的反饋系統實現簡化的后退方法。這種方法能夠實現對輔助速度的實時控制，但控制器的構建過程較為復雜，并且對機器人移動的加速度要求較高，在實際應用中較難實現。

3.4 智能控制法

智能控制法有效地解決了傳統控制方法中對數學模型的依賴，突破了線性控制的限制，是當前最具發展前景的一種移動機器人控制方法。智能控制的主要原理是模糊控制和神經網絡控制。但模糊控制的模型建立是一個較為困難的過程，而神經網絡控制又需要占據大量的資源，極大地降低了運動的時效性，在今后的研究過程中還需要進行進一步的完善。

4 移動機器人軌跡跟蹤控制的未來發展趨勢

進行移動機器人軌跡跟蹤控制理論研究的最終目的是實現實際的應用，因此，人們在進行控制系統的設計時，希望能夠在理論可行的基礎上，盡量實現多種功能的融合。例如，在軟件和硬件的設計上，應當能夠實現對非完整運動移動機器人的應用，這體現了對可操作性的要求。其次，控制系統應當能夠對機器人的運動狀態作出快速及時的反應，這體現了實時性的要求。控制系統還要能夠適應于不同的機器人，這是對通用性的要求。在控制過程中，系統要盡量保持穩定的狀態，控制的過程中要盡量減少對機器人各個部件的損壞，延長機器人的使用壽命。應用研究上，為確保可行性、通用性和實時性，將繼續基于非完整移動機器人運動學模型，以狀態反饋控制方法為主導，同時尋求穩定性、魯棒性和光滑性的改善。

移動機器人的軌跡跟蹤控制屬于運動學模型的控制，與傳統的動力學模型相比，這種控制方式的通用性更強，運動模型能夠更好的符合約束條件。未來，移動機器人的軌跡跟蹤控制的研究將更多關注控制過程的穩定性、光滑性和時效性等，在運動模型的建立上，將以狀態控制的方法為主，盡量減少對控制的誤差。

5 輪式移動機器人的控制

輪式移動機器人的控制主要涉及到三個方面的要素，分別是軌跡跟蹤、路徑跟蹤和點鎮定。軌跡跟蹤和路徑跟蹤是輪式移動機器人控制中的最主要內容。路徑跟蹤就是在事先設計好的坐標系中，設計出一條理想的運動，讓機器人從起始點出發，沿著設計的路線前進。軌跡跟蹤控制是一條隨著時間變化的運動軌跡，機器人在規定的時間內必須到達某一個點，因此對軌跡進行控制是十分必要的。當機器人的運動過程符合由幾何參數運算得出的路線時，機器人的運動過程是正確的。

6 結束語

對機器人的運動控制是實現機器人其他各項功能的前提和基礎。模糊控制和神經網絡控制是移動機器人控制技術中的兩項核心內容，模糊控制模擬了人的模糊推理過程和決策制定過程，是一種操作性強、控制簡單的方法。神經網絡則具有較強的信息存儲和分析能力，能夠對非線性網絡進行自動的糾錯。隨著科技的進一步發展，輪式移動機器人的研究將得到更多的重視，在機器人的實用性和操作性上也會進一步提高。

參考文獻

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