張繪敏，韓海敏，王麗余

河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南鄭州，450042

0 引言

在機(jī)器人領(lǐng)域中自主移動(dòng)技術(shù)是近幾年出現(xiàn)的新型技術(shù)，可以通過特定傳感器自主檢測周邊環(huán)境，并經(jīng)過自主評(píng)估之后做出相應(yīng)決策，以實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)。自主移動(dòng)型機(jī)器人主要應(yīng)用自主移動(dòng)以及行動(dòng)控制新型技術(shù)，并在軍事、工業(yè)、服務(wù)業(yè)、工業(yè)等方面得到大范圍應(yīng)用。例如，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍的AGV機(jī)器人能夠進(jìn)行自主搬運(yùn)，保證倉庫的高效管理；在農(nóng)業(yè)方面應(yīng)用較為成熟的機(jī)器人主要是替代人工進(jìn)行播種、噴藥、采收以及除草等工作；服務(wù)型機(jī)器人則在飯店、賓館、銀行以及醫(yī)院等行業(yè)的應(yīng)用較為普遍；與此同時(shí)，自主移動(dòng)型機(jī)器人在軍事領(lǐng)域主要用于搜救以及偵查等，并且其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用能夠最大限度地保障軍事安全，使得戰(zhàn)爭方式呈現(xiàn)多樣化趨勢，為戰(zhàn)場指揮效果的提升奠定基礎(chǔ)。目前，人們?nèi)匀辉诓粩噙M(jìn)行探索，希望其能夠進(jìn)行更大范圍的應(yīng)用，例如海底和太空等人類不能進(jìn)入的空間領(lǐng)域。

1 自主移動(dòng)型機(jī)器人的具體分類

科技的發(fā)展促使自主移動(dòng)型機(jī)器人成為現(xiàn)階段人們的研究重點(diǎn)，同時(shí)自主移動(dòng)型機(jī)器人已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)得到較為普遍的應(yīng)用，代替人力完成一些難度較大的工作[1]。自主移動(dòng)型機(jī)器人依據(jù)其主要的使用環(huán)境、功能以及移動(dòng)方式等，可以具體劃分為以下幾個(gè)類別：首先是輪式運(yùn)動(dòng)型機(jī)器人（圖1），此種機(jī)器人是目前使用頻率最高的機(jī)器人，在家庭中有我們常見的用于掃地的小型機(jī)器人，在工業(yè)領(lǐng)域中有利用無人駕駛技術(shù)運(yùn)行的汽車等，并且此類機(jī)器人的功能十分強(qiáng)大，甚至可以獨(dú)自完成短距離運(yùn)輸；其次是履帶式運(yùn)動(dòng)機(jī)器人（圖2），顧名思義，此類機(jī)器人主要是依靠履帶完成傳動(dòng)，因此此種類型的機(jī)器人主要應(yīng)用在極端條件下，并且此類機(jī)器人的運(yùn)載量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輪式機(jī)器人，因此在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用較為普遍，在物資的運(yùn)送以及掃雷過程中出現(xiàn)頻率最高；最后是腿式運(yùn)動(dòng)機(jī)器人（圖3），此種機(jī)器人是最近一段時(shí)間研究出來的仿生類型機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)形式與人類或者動(dòng)物的基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)形式相類似。

2 自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與協(xié)調(diào)問題及優(yōu)化

2.1 運(yùn)動(dòng)控制方面存在的問題及其優(yōu)化辦法

首先是點(diǎn)鎮(zhèn)定問題。從自主移動(dòng)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制角度來說，通常我們假設(shè)輪子與地面之間只存在滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)受到的是非完整的約束限制，在一定程度上影響其在進(jìn)行瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)對方向的控制力，這對此類機(jī)器人的反饋控制器的設(shè)計(jì)工作帶來一定挑戰(zhàn)。雖然從理論上講非完整的約束系統(tǒng)是可以控制的，但是其不能滿足必要的反饋鎮(zhèn)定條件。要想解決這一問題，需要我們積極探尋新的解決辦法。

現(xiàn)階段最常見的應(yīng)對辦法主要有連續(xù)性時(shí)變和非連續(xù)性不變反饋鎮(zhèn)定辦法以及混合性控制辦法。連續(xù)性時(shí)變反饋鎮(zhèn)定方法又叫光滑時(shí)變反饋鎮(zhèn)定，通常用在鏈?zhǔn)椒峭暾到y(tǒng)，對此系統(tǒng)的點(diǎn)鎮(zhèn)定和固定參考標(biāo)架的路徑跟蹤問題的全局漸進(jìn)控制率可以讓全局漸進(jìn)穩(wěn)定，此方法產(chǎn)生時(shí)變信號(hào)是通過周期函數(shù)，不足時(shí)收斂速度慢，為解決這個(gè)問題就引入了動(dòng)態(tài)振蕩函數(shù)和指數(shù)鎮(zhèn)定率，通過齊次反饋實(shí)現(xiàn)處處連續(xù)的時(shí)變反饋控制規(guī)律達(dá)到ρ指數(shù)穩(wěn)定。非連續(xù)性不變反饋鎮(zhèn)定辦法是一種不連續(xù)或分段連續(xù)的時(shí)不變反饋控制，可以采用自適應(yīng)控制率達(dá)到系統(tǒng)魯棒鎮(zhèn)定，也可以用滑膜控制方法設(shè)計(jì)局部鎮(zhèn)定控制器，不但可以減小系統(tǒng)的抖振，而且當(dāng)擾動(dòng)滿足相應(yīng)的增長條件使系統(tǒng)狀態(tài)有限時(shí)間內(nèi)收斂到原點(diǎn)。混合性控制辦法主要是針對系統(tǒng)中存在的不確定性，以監(jiān)督控制策略為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)混合控制率，并依據(jù)此原理結(jié)合高層離散監(jiān)督器和底層反饋控制率設(shè)計(jì)混合控制系統(tǒng)，以保證全局的收斂性，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。

其次是軌跡追蹤問題。從理論上講，在機(jī)器人進(jìn)行自主移動(dòng)期間，只要保證其移動(dòng)軌跡上的參考點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)移動(dòng)，就能夠使必要的Brockett條件得到滿足，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軌跡追蹤。但是從此系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)來看，由于受到建模以及測量精度的影響，加上外界干擾和負(fù)載的不穩(wěn)定，導(dǎo)致想要在短時(shí)間內(nèi)獲得精確的模型系統(tǒng)難度較大，進(jìn)而影響對運(yùn)動(dòng)軌跡的控制追蹤力度，受相關(guān)參數(shù)或者非參數(shù)之間存在的不確定性的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不能呈現(xiàn)最佳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[2]。我們可以科學(xué)選擇智能、自適應(yīng)或者是自適應(yīng)魯棒等控制辦法來有效應(yīng)對這一問題。以智能控制為例，其主要的控制基點(diǎn)是通過模仿人的智能，以控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜不確定性控制系統(tǒng)的有效控制，并且其是計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能以及控制理論相融合的產(chǎn)物，主要用于解決傳統(tǒng)控制手段無法解決的控制難題。

2.2 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方面存在的問題及其優(yōu)化辦法

多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)主要研究機(jī)器人間的合作和協(xié)調(diào)，合作主要是高層組織和決策問題，能否達(dá)到高效完成任務(wù)的目的；而協(xié)調(diào)是多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作是否協(xié)調(diào)一致的問題。這就需要保證機(jī)器人系統(tǒng)中信息的暢通，便于機(jī)器人的交互活動(dòng)。通過近十幾年的廣泛研究，目前編隊(duì)的控制和協(xié)同目標(biāo)的追蹤問題是多機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)熱點(diǎn)研究的問題。

首先是編隊(duì)的控制問題。通常當(dāng)單個(gè)的自主移動(dòng)性機(jī)器人不能單獨(dú)完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，會(huì)將機(jī)器人進(jìn)行臨時(shí)編隊(duì)，將多個(gè)機(jī)器人組合為某個(gè)特定的隊(duì)形，促使機(jī)器人通過相互協(xié)作完成較為復(fù)雜的任務(wù)。但是在編隊(duì)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)期間通常受通信問題影響而出現(xiàn)隊(duì)形散亂問題。針對這一現(xiàn)象，我們可以有意識(shí)地選擇虛擬結(jié)構(gòu)、基于行為的方法、基于圖論的方法以及領(lǐng)航－跟隨等辦法來保持機(jī)器人編隊(duì)的完整。

對于虛擬結(jié)構(gòu)法（如圖4）來說，就是將多個(gè)機(jī)器人組成的編隊(duì)看成一個(gè)虛擬整體，使虛擬整體按照期望隊(duì)形進(jìn)行移動(dòng)，每一個(gè)單獨(dú)成員依據(jù)虛擬位置控制自身行為。此種辦法將任務(wù)的描述和分配進(jìn)行簡化，并在一定程度上提高了編隊(duì)控制的精確度，但是這種辦法屬于集中控制，在靈活性以及適應(yīng)性方面存在不足。

基于行為的方法是一種新的智能控制方法，直接采用傳感器采集并感知環(huán)境變化做出反應(yīng)，從而采取進(jìn)一步的行動(dòng)，對于無法預(yù)知的場所或者環(huán)境實(shí)時(shí)性和魯棒性更強(qiáng)，不足就是系統(tǒng)行為無法準(zhǔn)確預(yù)測，不能精準(zhǔn)分析編隊(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于圖論的方法通過拉普拉斯矩陣的特征值驗(yàn)證編隊(duì)控制律的穩(wěn)定性，圖論中重要的工具就是剛性圖論（如圖5），在剛性圖中任意兩個(gè)頂點(diǎn)的距離是一定并保持的，用于多智能體的隊(duì)形變換和編隊(duì)控制率的設(shè)計(jì)。但因基于距離的控制率是非線性的，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的非線性，只能實(shí)現(xiàn)局部漸近穩(wěn)定，而不能達(dá)到全局收斂的效果。

領(lǐng)航－跟隨（leader-follower）方法(如圖6）中的領(lǐng)航者是系統(tǒng)中的其中一個(gè)機(jī)器人，其他機(jī)器人跟隨它來實(shí)現(xiàn)編隊(duì)控制。該方法實(shí)現(xiàn)簡單，每個(gè)跟隨機(jī)器人跟蹤領(lǐng)航機(jī)器人的方式只要能控制好，就能實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人行為的目的。不足是跟隨者過分依賴領(lǐng)航者，不能根據(jù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)調(diào)整自己，離開領(lǐng)航者就系統(tǒng)失效，隊(duì)形難以保持。

其次是協(xié)同目標(biāo)的追蹤問題。自主移動(dòng)式機(jī)器人的協(xié)同目標(biāo)追蹤，主要說的是在系統(tǒng)的控制下若干機(jī)器人圍繞任務(wù)目標(biāo)自行規(guī)劃自身運(yùn)動(dòng)，并由系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整這些機(jī)器人的狀態(tài)與目標(biāo)，確保對目標(biāo)形成合圍，以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的追蹤和捕獲。但是在機(jī)器人實(shí)際移動(dòng)期間，由于各個(gè)機(jī)器人之間的角間距、相對距離以及環(huán)繞速度等存在變數(shù)，導(dǎo)致追蹤任務(wù)的完成效果與預(yù)期不符。針對這一問題，在進(jìn)行機(jī)器人的編隊(duì)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量將其設(shè)計(jì)為環(huán)形（圖7），促使編隊(duì)在執(zhí)行追蹤任務(wù)時(shí)，機(jī)器人個(gè)體可以圍繞目標(biāo)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，一方面完全覆蓋目標(biāo)，另一方面還可以防止目標(biāo)進(jìn)行逃逸。另外，圓形編隊(duì)可以使個(gè)體機(jī)器人的移動(dòng)速度以及間距始終保持恒定。同時(shí)主從機(jī)器人分工明確，協(xié)同合作，從機(jī)器人通過WIFI網(wǎng)絡(luò)實(shí)施獲取主機(jī)器人的規(guī)劃路徑、方向和速度，自身實(shí)時(shí)跟隨主機(jī)器人一起運(yùn)動(dòng)。

3 自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電子羅盤設(shè)計(jì)

要最大限度保障自主移動(dòng)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精確度，首先需要做好機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)定位設(shè)計(jì)。通常情況下，人們會(huì)借助光學(xué)以及力學(xué)傳感器來保證機(jī)器人的良好運(yùn)動(dòng)性能，但是同樣離不開電子羅盤的支持。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精準(zhǔn)移動(dòng)，要借助羅盤實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息的實(shí)時(shí)傳送，并盡可能減少外界因素，例如，磁場等的干擾[3]。而TDC3類型的電子羅盤由于更符合自主移動(dòng)型機(jī)器人的要求而在一眾羅盤中脫穎而出。需要注意的是，在安裝羅盤時(shí)，應(yīng)該將其安裝在機(jī)器人的中心或者是頂部位置，最大限度減少因?yàn)闄C(jī)器人的自身因素所產(chǎn)生的誤差。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊所應(yīng)用的電路屬于集成電路，由于這種電路采取的是雙H橋式的設(shè)計(jì)形式，促使其電壓和電流的功率相對較大，通常情況下主要承擔(dān)電感性負(fù)載任務(wù)，并主要由繼電器、線圈、直流電機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)等結(jié)構(gòu)組成[4]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的外部主要由Multiawatt 塑料作為封裝材料，內(nèi)部由四種類型的驅(qū)動(dòng)器組成，并且各個(gè)驅(qū)動(dòng)器之間并不會(huì)開展統(tǒng)一運(yùn)作，而是由各個(gè)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行單獨(dú)運(yùn)作。

3.3 運(yùn)動(dòng)定位設(shè)計(jì)

自主移動(dòng)式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制與協(xié)調(diào)問題的核心是，如何才能全面有效地掌握這些機(jī)器人個(gè)體的實(shí)時(shí)位置，并以此為依據(jù)評(píng)估機(jī)器人個(gè)體所處的相對位置，為后期具體控制辦法的制定提供可靠依據(jù)[5]。為了解決這一問題，需要在其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中安裝定位系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人個(gè)體的實(shí)時(shí)追蹤。例如，可以在控制系統(tǒng)中安裝高精度定位板卡，通過板卡與其定位系統(tǒng)保持連通，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人個(gè)體的實(shí)時(shí)持續(xù)定位；同時(shí)通過搭配高精度天線接收GPS、北斗等多系統(tǒng)定位信號(hào)，提升定位精度。

3.4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自主移動(dòng)型機(jī)器人的核心組件是其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，并且這也是機(jī)器人進(jìn)行正常運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)這類機(jī)器人的操作系統(tǒng)時(shí)，大部分設(shè)計(jì)師都會(huì)選擇使用Windows10，而C++則通常用于設(shè)計(jì)程序開發(fā)系統(tǒng)。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的系統(tǒng)是CRobol-ActionCui，并借助此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人移動(dòng)信息的持續(xù)實(shí)時(shí)采集。例如，借助此系統(tǒng)可以對處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的借助空氣動(dòng)力飛行的自主移動(dòng)式機(jī)器人下達(dá)降落、懸停以及升起等指令。

3.5 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于自主移動(dòng)式機(jī)器人通常情況下是在較差的環(huán)境條件下使用，并且需要在這樣的條件下完成相應(yīng)的工作任務(wù)，這對于此類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來說是一種挑戰(zhàn)。為了有效應(yīng)對此類機(jī)器人的使用環(huán)境，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行其功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先需要保障機(jī)器人無論是何種條件下都能夠平穩(wěn)運(yùn)行。其次需要加大此類機(jī)器人的抗干擾性能。因此設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮一系列影響因素，結(jié)合機(jī)械原理以及實(shí)際情況，開發(fā)出行之有效的控制算法，保證此類機(jī)器人各項(xiàng)功能的正常運(yùn)行[6]。

4 結(jié)語

綜上所述，自主移動(dòng)式機(jī)器人與工業(yè)領(lǐng)域大范圍應(yīng)用的機(jī)器人之間的區(qū)別在于其應(yīng)用范圍更廣，自主移動(dòng)式機(jī)器人的核心結(jié)構(gòu)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，這也是機(jī)器人能夠完成復(fù)雜任務(wù)的基礎(chǔ)。為了能夠促使此類機(jī)器人更好地為社會(huì)服務(wù)，需要相關(guān)單位或者個(gè)人積極探究其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中存在的問題，并找出針對性的優(yōu)化途徑，最大限度提高此類機(jī)器人的設(shè)計(jì)層次，促使其更好地為人們的生產(chǎn)和生活服務(wù)。