具有不确定滑转的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.06.014

摘要/Abstract

摘要：

轮式移动机器人在松软复杂地形条件下容易发生车轮滑转，影响轨迹跟踪精度.为提高机器人在该情况下的轨迹跟踪准确性，提出了一种基于容错控制的自适应滑转补偿控制器.首先，考虑车轮滑转率建立了四轮移动机器人运动学模型，并构建了相应的轨迹跟踪误差模型；然后，根据容错控制方法设计了滑转补偿项，并基于Lyapunov稳定性理论证明了自适应滑转补偿控制器的稳定性，实现了对由车轮滑转引起的速度误差的准确补偿；最后，利用四轮移动机器人进行了两种工况下的实验验证.结果表明，设计的控制器能够使移动机器人在未知的车轮滑转率条件下准确跟踪理想路径，并且相较于常规控制器有更强的鲁棒性和更高的跟踪精度.

关键词: 轮式移动机器人, 松软地形, 车轮滑转, 轨迹跟踪, 容错控制

Abstract:

Wheeled mobile robots are prone to wheel slippage on soft and complex terrains， which affects trajectory tracking accuracy. To improve the trajectory tracking accuracy of robots under such conditions， an adaptive slip compensation controller （ASCC） based on fault?tolerant control （FTC） is proposed. Firstly， a kinematic model of a four?wheeled mobile robot （4 WMR） is established by considering wheel slippage rates， and the corresponding trajectory tracking error model is constructed. Then， based on the FTC method， a slippage compensation term is designed. The stability of the ASCC is proven using Lyapunov stability theory， achieving accurate compensation for the velocity error caused by wheel slippage. Finally， experiments under two working conditions are conducted on the 4 WMR. The results show that the designed controller enables the mobile robot to track the desired path under unknown wheel slippage rates， and it exhibits stronger robustness and higher tracking accuracy compared to the conventional controllers.

Key words: wheeled mobile robot, soft terrain, wheel slippage, trajectory tracking, fault?tolerant control（FTC）

中图分类号:

TP 242

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图/表 16

图1 四轮移动机器人运动学模型

Fig. 1 Kinematics model of four?wheeled mobile robot

图2 轨迹跟踪模型

Fig. 2 Trajectory tracking model

表1 仿真控制器参数

Table 1 Simulink controller parameters

参数	数值	参数	数值	参数	数值
k₁	0.01	p₃	0.1	b	0.3
k₂	0.8	p₄	0.1	r	0.1
k₃	0.01	p₅	0.1	v_r	0.3
p₁	5	λ₁	0.3	ω_r	0.1
p₂	2	λ₄	0.8	—	—

图3 轨迹跟踪结果对比

Fig. 3 Comparison of trajectory tracking results

图4 轨迹跟踪误差对比（a）—自适应滑转补偿控制器误差收敛效果；（b）—常规控制器误差收敛效果.

Fig. 4 Comparison of trajectory tracking errors

图5 跟踪速度和角速度

Fig. 5 Tracking speed and angular velocity

图6 四轮移动机器人实验平台

Fig. 6 Four?wheel mobile robot experimental platform

表2 控制器参数

Table 2 Controller parameters

参数	数值	参数	数值	参数	数值
k₁	0.1	p₂	1.2	λ₁	1.85
k₂	0.2	p₃	0.05	λ₄	3.25
k₃	0.1	p₄	0.05	v_r	0.3
p₁	0.02	p₅	0.02	ω_r	0.1

图7 圆形轨迹跟踪结果对比

Fig. 7 Comparison of circular trajectory tracking results

图8 机器人运动照片

Fig. 8 Robot motion photos

图9 圆形轨迹跟踪误差对比（a）—自适应滑转补偿控制器误差收敛效果；（b）—常规控制器误差收敛效果.

Fig. 9 Comparison of circular trajectory tracking errors

图10 测量速度和角速度

Fig. 10 Tracking speed and angular velocity

图11 “8”字形轨迹跟踪结果对比

Fig. 11 Comparison of “8” trajectory tracking results

图12 机器人运动照片

Fig. 12 Robot motion photos

图13 “8”字形轨迹跟踪误差对比（a）—自适应滑转补偿控制器误差收敛效果；（b）—常规控制器误差收敛效果.

Fig. 13 Comparison of trajectory tracking errors

图14 测量速度和角速度

Fig. 14 Tracking speed and angular velocity

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