轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究

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　　摘 要：科技的进步已经使机器人被广泛应用于生活中的各个领域，例如，农业生产、服务业、探测等。机器人能够代替人工完成大量危险或繁重的工作。轮式移动机器人是使用较为广泛的一种机器人类型，它具备良好的轨迹跟踪控制性能。文章对轮式移动机器人轨迹跟踪控制的原理进行了介绍，并构建了一定的轨迹跟踪控制模型，分析了轨迹控制的规律。
　　关键词：轮式移动机器人；轨迹跟踪控制；模糊控制
　　机器人的诞生和应用可以追溯到上个世纪，它的使用给许多产业带来了生产自动化上的提高。自1956年，第一台机器人出现以来，机器人的功能得到了不断的完善，应用也得到了不断的推广。移动机器人在日常生活中的应用给人们带来了极大的便利，而当前机器人研究领域的主要关注点就是研发出低成本、高性能的自主移动机器人。文章以机器人的网络化控制系统为基础，研究了轮式移动机器人的轨迹跟踪控制方法。
　　1 移动机器人的研究领域
　　当前，移动机器人的研究方向主要分为两个方面。一种是从工业生产的需要出发，设计和研制出具有特定应用功能的机器人。第二种是将移动机器人作为研究人工智能技术的工具，从技术的角度进行仿生功能的研究。人工智能是当前许多科技研究领域的重点，因此在机器人的研究中也更倾向于后一种。
　　近年来，机器人的设计和开发越来越向着实用化的方向发展，这就对移动机器人的运动系统、导航系统、感知系统等提出了更高的要求。移动机器人应当具备良好的环境适应性、交互性和独立性，这样才能有效的协助人类完成各项工作。
　　2 移动机器人的轨迹跟踪控制问题
　　轮式机器人是一类在生活中应用十分广泛的机器人，因此它的跟踪控制问题获得了人们的广泛关注。跟踪控制是机器人的一项重要性能，影响到许多功能的发挥，因此在设计的过程中必须经过严格的考虑。轮式移动机器人的跟踪控制主要有轨迹跟踪控制和路径跟踪控制两种。轨迹跟踪控制中，移动机器人的跟踪轨迹是以时间关系轴的方式呈现的，而在路径跟踪控制中则是以几何图形的形式呈现的。由此可以得出，当移动机器人需要在规定的时间内到达一个指定的区域时，就必须采用轨迹跟踪控制的方式。
　　3 移动机器人轨迹跟踪控制的研究现状
　　由于轨迹跟踪控制的方式是通过时间的变化来建立模型的，属于一种非线性的控制方法，在机器人的控制当中属于难度较大的。为了提高移动机器人轨迹跟踪控制的效率，出现了各种非线性控制的研究理论。
　　3.1 非线性状态的反馈
　　非线性状态的反馈是以机器人的非完整运动为基础建立的运动模型。非线性状态下会形成一个闭合的系统，通过研究机器人预期运动轨迹与实际运动轨迹之间的差量分析来实现控制。
　　3.2 滑模控制法
　　滑模控制法是通过高速开关的使用，使得移动机器人的运动状态趋近于一个曲面，这个曲面被称为开关表面。此后一段时间内，机器人的运动都控制在这一个曲面当中，但在实际运行的过程中，机器人会出现抖振的现象，从而影响控制的效果。
　　3.3 后退控制法
　　后退控制法是通过一定的函数来构建控制器，并通过完善的反馈系统实现简化的后退方法。这种方法能够实现对辅助速度的实时控制，但控制器的构建过程较为复杂，并且对机器人移动的加速度要求较高，在实际应用中较难实现。
　　3.4 智能控制法
　　智能控制法有效地解决了传统控制方法中对数学模型的依赖，突破了线性控制的限制，是当前最具发展前景的一种移动机器人控制方法。智能控制的主要原理是模糊控制和神经网络控制。但模糊控制的模型建立是一个较为困难的过程，而神经网络控制又需要占据大量的资源，极大地降低了运动的时效性，在今后的研究过程中还需要进行进一步的完善。
　　4 移动机器人轨迹跟踪控制的未来发展趋势
　　进行移动机器人轨迹跟踪控制理论研究的最终目的是实现实际的应用，因此，人们在进行控制系统的设计时，希望能够在理论可行的基础上，尽量实现多种功能的融合。例如，在软件和硬件的设计上，应当能够实现对非完整运动移动机器人的应用，这体现了对可操作性的要求。其次，控制系统应当能够对机器人的运动状态作出快速及时的反应，这体现了实时性的要求。控制系统还要能够适应于不同的机器人，这是对通用性的要求。在控制过程中，系统要尽量保持稳定的状态，控制的过程中要尽量减少对机器人各个部件的损坏，延长机器人的使用寿命。应用研究上，为确保可行性、通用性和实时性，将继续基于非完整移动机器人运动学模型，以状态反馈控制方法为主导，同时寻求稳定性、鲁棒性和光滑性的改善。
　　移动机器人的轨迹跟踪控制属于运动学模型的控制，与传统的动力学模型相比，这种控制方式的通用性更强，运动模型能够更好的符合约束条件。未来，移动机器人的轨迹跟踪控制的研究将更多关注控制过程的稳定性、光滑性和时效性等，在运动模型的建立上，将以状态控制的方法为主，尽量减少对控制的误差。
　　5 轮式移动机器人的控制
　　轮式移动机器人的控制主要涉及到三个方面的要素，分别是轨迹跟踪、路径跟踪和点镇定。轨迹跟踪和路径跟踪是轮式移动机器人控制中的最主要内容。路径跟踪就是在事先设计好的坐标系中，设计出一条理想的运动，让机器人从起始点出发，沿着设计的路线前进。轨迹跟踪控制是一条随着时间变化的运动轨迹，机器人在规定的时间内必须到达某一个点，因此对轨迹进行控制是十分必要的。当机器人的运动过程符合由几何参数运算得出的路线时，机器人的运动过程是正确的。
　　6 结束语
　　对机器人的运动控制是实现机器人其他各项功能的前提和基础。模糊控制和神经网络控制是移动机器人控制技术中的两项核心内容，模糊控制模拟了人的模糊推理过程和决策制定过程，是一种操作性强、控制简单的方法。神经网络则具有较强的信息存储和分析能力，能够对非线性网络进行自动的纠错。随着科技的进一步发展，轮式移动机器人的研究将得到更多的重视，在机器人的实用性和操作性上也会进一步提高。
　　参考文献
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