丁權(quán)　馮金龍

摘 要：科技的進(jìn)步已經(jīng)使機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域，例如，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、服務(wù)業(yè)、探測等。機(jī)器人能夠代替人工完成大量危險(xiǎn)或繁重的工作。輪式移動(dòng)機(jī)器人是使用較為廣泛的一種機(jī)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(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制的原理進(jìn)行了介紹，并構(gòu)建了一定的軌跡跟蹤控制模型，分析了軌跡控制的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：輪式移動(dòng)機(jī)器人；軌跡跟蹤控制；模糊控制

機(jī)器人的誕生和應(yīng)用可以追溯到上個(gè)世紀(jì)，它的使用給許多產(chǎn)業(yè)帶來了生產(chǎn)自動(dòng)化上的提高。自1956年，第一臺(tái)機(jī)器人出現(xiàn)以來，機(jī)器人的功能得到了不斷的完善，應(yīng)用也得到了不斷的推廣。移動(dòng)機(jī)器人在日常生活中的應(yīng)用給人們帶來了極大的便利，而當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域的主要關(guān)注點(diǎn)就是研發(fā)出低成本、高性能的自主移動(dòng)機(jī)器人。文章以機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究了輪式移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制方法。

1 移動(dòng)機(jī)器人的研究領(lǐng)域

當(dāng)前，移動(dòng)機(jī)器人的研究方向主要分為兩個(gè)方面。一種是從工業(yè)生產(chǎn)的需要出發(fā)，設(shè)計(jì)和研制出具有特定應(yīng)用功能的機(jī)器人。第二種是將移動(dòng)機(jī)器人作為研究人工智能技術(shù)的工具，從技術(shù)的角度進(jìn)行仿生功能的研究。人工智能是當(dāng)前許多科技研究領(lǐng)域的重點(diǎn)，因此在機(jī)器人的研究中也更傾向于后一種。

近年來，機(jī)器人的設(shè)計(jì)和開發(fā)越來越向著實(shí)用化的方向發(fā)展，這就對移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等提出了更高的要求。移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具備良好的環(huán)境適應(yīng)性、交互性和獨(dú)立性，這樣才能有效的協(xié)助人類完成各項(xiàng)工作。

2 移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制問題

輪式機(jī)器人是一類在生活中應(yīng)用十分廣泛的機(jī)器人，因此它的跟蹤控制問題獲得了人們的廣泛關(guān)注。跟蹤控制是機(jī)器人的一項(xiàng)重要性能，影響到許多功能的發(fā)揮，因此在設(shè)計(jì)的過程中必須經(jīng)過嚴(yán)格的考慮。輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人的跟蹤軌跡是以時(shí)間關(guān)系軸的方式呈現(xiàn)的，而在路徑跟蹤控制中則是以幾何圖形的形式呈現(xiàn)的。由此可以得出，當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人需要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)到達(dá)一個(gè)指定的區(qū)域時(shí)，就必須采用軌跡跟蹤控制的方式。

3 移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制的研究現(xiàn)狀

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

3.1 非線性狀態(tài)的反饋

非線性狀態(tài)的反饋是以機(jī)器人的非完整運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)建立的運(yùn)動(dòng)模型。非線性狀態(tài)下會(huì)形成一個(gè)閉合的系統(tǒng)，通過研究機(jī)器人預(yù)期運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡之間的差量分析來實(shí)現(xiàn)控制。

3.2 滑?？刂品?/p>

滑?？刂品ㄊ峭ㄟ^高速開關(guān)的使用，使得移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)趨近于一個(gè)曲面，這個(gè)曲面被稱為開關(guān)表面。此后一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)都控制在這一個(gè)曲面當(dāng)中，但在實(shí)際運(yùn)行的過程中，機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)抖振的現(xiàn)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(shù)來構(gòu)建控制器，并通過完善的反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡化的后退方法。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)對輔助速度的實(shí)時(shí)控制，但控制器的構(gòu)建過程較為復(fù)雜，并且對機(jī)器人移動(dòng)的加速度要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中較難實(shí)現(xiàn)。

3.4 智能控制法

智能控制法有效地解決了傳統(tǒng)控制方法中對數(shù)學(xué)模型的依賴，突破了線性控制的限制，是當(dāng)前最具發(fā)展前景的一種移動(dòng)機(jī)器人控制方法。智能控制的主要原理是模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。但模糊控制的模型建立是一個(gè)較為困難的過程，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制又需要占據(jù)大量的資源，極大地降低了運(yùn)動(dòng)的時(shí)效性，在今后的研究過程中還需要進(jìn)行進(jìn)一步的完善。

4 移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制的未來發(fā)展趨勢

進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制理論研究的最終目的是實(shí)現(xiàn)實(shí)際的應(yīng)用，因此，人們在進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，希望能夠在理論可行的基礎(chǔ)上，盡量實(shí)現(xiàn)多種功能的融合。例如，在軟件和硬件的設(shè)計(jì)上，應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)對非完整運(yùn)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用，這體現(xiàn)了對可操作性的要求。其次，控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠?qū)C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)作出快速及時(shí)的反應(yīng)，這體現(xiàn)了實(shí)時(shí)性的要求?？刂葡到y(tǒng)還要能夠適應(yīng)于不同的機(jī)器人，這是對通用性的要求。在控制過程中，系統(tǒng)要盡量保持穩(wěn)定的狀態(tài)，控制的過程中要盡量減少對機(jī)器人各個(gè)部件的損壞，延長機(jī)器人的使用壽命。應(yīng)用研究上，為確?？尚行?、通用性和實(shí)時(shí)性，將繼續(xù)基于非完整移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以狀態(tài)反饋控制方法為主導(dǎo)，同時(shí)尋求穩(wěn)定性、魯棒性和光滑性的改善。

移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的控制，與傳統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型相比，這種控制方式的通用性更強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)模型能夠更好的符合約束條件。未來，移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制的研究將更多關(guān)注控制過程的穩(wěn)定性、光滑性和時(shí)效性等，在運(yùn)動(dòng)模型的建立上，將以狀態(tài)控制的方法為主，盡量減少對控制的誤差。

5 輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制

輪式移動(dòng)機(jī)器人的控制主要涉及到三個(gè)方面的要素，分別是軌跡跟蹤、路徑跟蹤和點(diǎn)鎮(zhèn)定。軌跡跟蹤和路徑跟蹤是輪式移動(dòng)機(jī)器人控制中的最主要內(nèi)容。路徑跟蹤就是在事先設(shè)計(jì)好的坐標(biāo)系中，設(shè)計(jì)出一條理想的運(yùn)動(dòng)，讓機(jī)器人從起始點(diǎn)出發(fā)，沿著設(shè)計(jì)的路線前進(jìn)。軌跡跟蹤控制是一條隨著時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡，機(jī)器人在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)必須到達(dá)某一個(gè)點(diǎn)，因此對軌跡進(jìn)行控制是十分必要的。當(dāng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程符合由幾何參數(shù)運(yùn)算得出的路線時(shí)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程是正確的。

6 結(jié)束語

對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人其他各項(xiàng)功能的前提和基礎(chǔ)。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)中的兩項(xiàng)核心內(nèi)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(qiáng)、控制簡單的方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則具有較強(qiáng)的信息存儲(chǔ)和分析能力，能夠?qū)Ψ蔷€性網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)的糾錯(cuò)。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究將得到更多的重視，在機(jī)器人的實(shí)用性和操作性上也會(huì)進(jìn)一步提高。

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