欠驱动移动机器人的路径跟踪控制

　第３７卷第１期　２０１４年１月

合肥工业大学学报

（自然科学版）

ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＥＦＥＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．１　Ｊａｎ．２０１４　

收稿日期：２０１３‐０５‐０２；修回日期：２０１３‐０７‐２０基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１１００２１１）作者简介：杨兴明（１９７７－），男，云南安宁人，博士，合肥工业大学副教授，硕士生导师．

Ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３‐５０６０．２０１４．０１．０１２

欠驱动移动机器人的路径跟踪控制

杨兴明，　朱　建，　高银平，　许东昌

（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥　２３０００９）

摘　要：双轮移动机器人是一种典型的具有非完整约束的欠驱动系统，针对其路径跟踪和姿态平衡的控制问题，文章提出了一种基于反演技术的运动学控制器和滑模动力学控制器相结合的控制算法，反演法设计运动学控制器用以解决跟踪速度和位置之间的控制关系。考虑到系统本身的不确定性和外界干扰，采用具有稳定性和鲁棒性特点的滑模控制器作为动力学控制器用以解决机器人的运动平衡和控制电压之间的控制问题。仿真结果表明该方法有效地实现了双轮移动机器人在保持平衡的同时稳定地进行轨迹跟踪。关键词：移动机器人；反演；滑模控制；动力学模型；姿态平衡

中图分类号：ＴＰ２７３畅５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３‐５０６０（２０１４）０１‐００５３‐０６

Ｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ

ＹＡＮＧＸｉｎｇ‐ｍｉｎｇ，　ＺＨＵＪｉａｎ，　ＧＡＯＹｉｎ‐ｐｉｎｇ，　ＸＵＤｏｎｇ‐ｃｈａｎｇ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｗｏ‐ｗｈｅｅｌｅｄｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｉｓａｔｙｐｉｃａｌｎｏｎｈｏｌｏｎｏｍｉｃｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｓｙｓｔｅｍ．Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｐａｔｈｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｂａｌａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ，ａｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｗｈｉｃｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇａｎｄｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｄｙ‐ｎａｍｉｃｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇｉｓｕｓｅｄｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｂｌｅｍｂｅｔｗｅｅｎｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｉｅｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｅｘｔｅｒｎａｌｄｉｓ‐ｔｕｒｂａｎｃｅ，ｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｈａｔｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｒｏｂｏｔ’ｓｓｐｅｅｄａｎｄｐｏｓｔｕｒｅｂａｌａｎｃｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｔｗｏ‐ｗｈｅｅｌｅｄｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｔｒａｃｋｉｎｇｉｎａｓｔａｂｌｅａｎｄｂａｌａｎｃｅｄｍｏｄｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅｒｏｂｏｔ；ｂａｃｋｓｔｅｐｐｉｎｇ；ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｄｙｎａｍｉｃｓｍｏｄｅｌ；ｐｏｓｔｕｒｅｂａｌａｎｃｅ

０　引 言

轮式移动机器人是一种典型的具有非完整约束的系统，因其具有广泛的应用前景和理论意义

引起了国内外学者的广泛关注［１‐６］

。近年来，根据基于的模型不同，移动机器人路径跟踪的研究可以分为基于运动学模型和动力学模型２种研究方式。基于运动学模型的研究主要是以速度作为控制量使真实轨迹和参考轨迹之间的误差收敛到０，研究的是速度和参考轨迹之间的关系。基于动力学模型控制器反映的是控制电压和速度之间的关系，能够比较真实地反应移动机器人的控制规律。

文献［７‐８］基于动力学模型，利用自适应的方法实现了三轮移动机器人的路径跟踪。考虑到双轮移动机器人比三轮或四轮机器人具有更好的机动性和灵活性，体积更小，尤其是在拥挤的空间，更能体现其灵活性，双轮移动机器人的路径跟踪也同样具有很高的研究价值。

本文针对双轮移动机器人的研究首先建立系