近些年機器人技術得到了飛速發展，呈現智能化、多元化趨勢，并成功運用于國防、醫院、工業和家庭等領域[1-2]。輪式機器人控制匯集了信息技術、機械技術以及傳感器技術，是機器人研究領域中的一個重要分支，輪式機器人路徑跟蹤的精度影響著整個系統的性能[3-4]。然而輪式移動機器人又是一個多變量、強耦合、參數時變的非線性對象，難以對其進行高性能軌跡跟蹤的控制[5]。
近年來，隨著現代控制技術的迅猛發展，一些現代控制方法被廣泛地運用到了輪式機器人軌跡跟蹤控制中，如反推（backstepping）控制[6]、變結構控制[7]、狀態反饋線性化控制[8]、輸入輸出解耦控制[9]、組態方法[10]、粒子群優化算法[11]等。而文獻[5]僅僅是針對輪式機器人的運動學模型設計路徑跟隨器，沒有充分考慮系統摩擦力和參數不確定性對機器人運動性能的不良影響。
盡管傳統的PID控制算法在移動機器人軌跡跟蹤控制的研究上取得了一定成果，但隨著環境的復雜化和不確定性，使得傳統的控制方法已難以達到理想的控制效果。參數不確定對于系統產生的不良影響已經在全橋逆變器的控制領域中有所考慮，但在機器人控制系統中還有所欠缺[12]。
為此，本文主要研究參數不確定的輪式移動機器人路徑跟蹤控制問題。首先建立輪式機器人的動力學模型，并考慮摩擦力和環境的影響，進一步建立其參數不確定動力學模型。在此基礎上設計一種基于凸優化算法的魯棒PI控制器，引入了L1性能指標，并給出相關控制律，通過直接求解線性矩陣不等式即可得到控制器參數。
最后，仿真結果表明該控制系統能夠準確、快速地跟蹤給定的參考路徑，并能實現同時對給定的線速度、角速度和角度的跟蹤。與常規的PI控制器相比，對于環境和摩擦系數變化產生的不確定性及擾動更具魯棒性。
圖1 移動機器人運動示意圖
結論
針對參數不確定的輪式移動機器人系統，本文設計了一種基于凸優化算法的魯棒PI控制器，通過調節反饋控制輸入使得移動機器人能夠漸近地跟蹤給定參考路徑，并結合L1性能指標有效地抵制參數攝動的影響，增強系統的魯棒性。同時，控制器也確保了輪式移動機器人的線速度、角速度和角度跟蹤誤差快速收斂到零。最后，基于Matlab平臺的仿真結果進一步驗證了設計算法的有效性。
手機掃描二維碼
