非完整约束轮式移动机器人运动控制系统研究

ＤＳ 芯 片 Ｔ ３ Ｏ Ｆ ４ ７ Ｐ Ｍｓ ２ Ｌ ２ ０ Ａ为 控 制 器 的 核 心 ，该 芯 片 具 有较 高 的实 时控 制 能 力 ，许 多 复 杂 算 法 在 该 芯 片 上 得 以实 现 。
直 线运 动 时 ，满 足 ＝ （ 向 角 不变 ） ０ 方 ，即 ， ， ＝
机器 人 左右轮 的转 角速 度大 小和 方 向都相 同。旋转 运动
时 ，Ｗ ＭＲ－ 以 本 体 的 质 心 （ 动 轮 回 转 轴 线 的 中心 Ｉ 驱 点 ）为速 度 瞬心 作 旋转 运 动 ，根 据Ｗ ＭＲ— 运动 学 简化 Ｉ
模型 ：
键盘矩阵 ｌ ｃ 示 Ｌ Ｅ
人机交互
＝
电机驱动器 卜——— — ＿ － 叫右驱动 电机
小 车 质 心不 动 的 条件 为 ＝ ｏ， ≠０ ＝ ，即 ： ， 一 左 右轮 的转 角速 度相 等 ，方 向相 反 。
图２ Ｗ ＭＲ ｌ 运 动控 制 系统 结 构 框 图 —的
Ｗ ＭＲ－ 的运 动 控 制 模 块 主 要 由 电机 及 其 驱 动 电 Ｉ 路 、机械 传动 系 统及 光 电编码 器等 组成 。反馈信 号 的测 量 采 用了 具 有３ ０ 数 的 增量 式 光 电 编码 器 。其 输 出 为 ０线
此 外 ，为 了进 一 步提 高控 制 效果 ，对 其运 动控 制 系统 引入 专 家Ｐ Ｄ控 制 算法 ，实验表 明 Ｉ
该 运 动 控 制 器控 制 的 有 效 性 。 关 键 词 非 完 整 性 轮 式移 动机 器人 运 动控 制 系统 专 家ＰＤ控 制 Ｉ
１ 引 言
轮 式 移 动 机 器 人 （ ｅｌ ｂ ｅ ｒｂ ｔ ｗｈ ｅ ｄ ｍｏ ｉ ｏ ｏ ，ｗ ＭＲ） ｅ ｌ 在 工农 业 、国防 、物 流 等 各 个 领 域 具 有 广 泛 的 应 用 背 景 。广 义地说 ，任 何带 有轮 式驱 动机 构 的机械 装 置 ，如
关 键 ，常 规ＰＤ控 制 简单 ，稳 定 性 能好 ，已经在 移 动机 Ｉ
器 人运动 控 制器 上获 得了 有效 应用 ，但该 应 用有赖 于 控 制 对象 的精 确模 型 ，且针 对移 动机器 人 系统存 在 一定 非
图 １ Ｗ ＭＲ－ 机 械 结 构 １
福建交 科 ２１年第５ 网 通 技 ０１ 期１
线 性 、时变和 时滞 性 ，或存在 外 界较 大干 扰时 ，往 往难 以达 到满 意的控 制效 果 。鉴于 此 ，本 文对 移动 机器 人 的 运 动控 制器 引入 了 专家 ＰＤ控 制算 法 ，该 算法 将 专家 自 Ｉ
适 应控 制与 常规 ＰＤ控 制相 结合 ，具 有 专家 自适 应控 制 Ｉ
对于 差动 驱动 移动 机器 人 ，其运 动定 位控 制完 全 是 通 过两 差动 驱动 轮速 度控 制来 实现 ，传统 的 闭环运 动控 制 器通 常是在 统 一速 度期 望值 下对 两差动 轮进 行各 自的 闭 环 控 制 ，该 控 制忽 略 了 扰 动 或 硬 件 变 化 （ 老化 或 变 更 ）对两 驱 动轮 的不 同影 响 ，使 两轮 产生 速度 差 。并得 不 到补 偿 。针 对该 问题文 献 ［ 两 驱动 轮 引入 偏差 补偿 ２ 对 机 制 ，并 增加 了转 角速 度 闭环 控 制 ，构 成３ 闭环 多输 人 多 输 出的控 制 系统 ，并取得 较 好控 制效果 ，但 这 又使得 控 制 系统 变 得 复杂而 影响 实 时性 。鉴于 此 ，本 文 采用 了
Ｃ Ｓ （一 ＣＳ （ ＋ｙ Ｏ ｅ ） Ｏ ０ ＾）
ＣＯ Ｓ
ＣＯ Ｓ
式 （ ＝ ¨１ ｝ ０
１ ｌ ｏｓ／ ｃ ￣
ｓ （ ＋ｙ ｉ ｅ－ ｎ ）
ＣＯＳ
１
ｌｏ ￣ ｃ ｓ ／
图２ 为Ｗ ＭＲ－ 的运 动 控 制 系统 结 构 框 图 ，整 个 系 Ｉ 统 以 ＴＩ 司 生 产 的 １ 位 具 有 改 进 型 哈 佛 结 构 体 系 的 公 ６
两 列 正 交 （ 相 位相 差 ９ ｏ 即 ０ ）的 脉 冲编 码 信 号 ，该 信 号
经 过 非 门 整 形 滤 波 后 为 ＤＳ Ｐ的 正 交 编 码 脉 冲 电 路 （ Ｐ ＱＥ ）所 捕 获 ，该 电 路通 过 检 测 两 列脉 冲 的先 导 序列
来判 断 当前 电机 转动 方 向 ，并将输 入 的正 交脉 冲编 码信
非完整约束轮式移动机器人运动控制 系统研究
■ 王 鸣 （ 建 交 通 职 业 技 术 学 院 ，福 州 ３ ０ ０ ） 福 ５０ ７
摘
要
基 于对 非完整 约束 的轮 式移 动机 器人运 动 学模型 分析 ，研 究其 运动 控制 系
统 。 一 驱 动 轮 采 用调 速 闭 环 控 制 。 而 另 一 驱 动 轮 以 该 驱 动 轮 速 度 反 馈 值 为 基 准 进 行 速 度 跟 踪 闭 环 控 制 保 持 实 时 跟 踪 ．该 双 闭 环 结 构 实 现 了移 动 机 器 人 的 调 速 控 制 和 准 确 定 位 。
． ． ． ． ． ． ． ．
＿ ｊ ＿
带动 两 固定 轮 实现 ，通过 对 两驱 动轮 的不 同转 速和 转 向 控 制可 实现 移动 机器 人 的多 种运 动形 式 。光 电编码 器通
过 齿 轮 传 动 与 驱 动轮 建 立转 动 连 接 实现 反馈 信 号 的检 测 ，为了减 小齿 轮 间 隙对 移 动机 器 人 定位 误 差 的 影 响 。 所 有 传动 齿轮 都 具有 调隙 结构 。 ２２ 硬 件 电路设 计 ．
ｆ ） ｆ （ Ｄ ２ ］
ｃ ｓ ｏ ０ ｏ ０ｃ ｓ
光电编码器 Ｈ
机械
Ｑ
Ｔ ２２０Ａ Ｑ Ｐ — 光电编码器 Ｍ３０４ ７ Ｅ
式 中 制
ｓ ｉ ０ ｉ ｓｎ ｎ０
１ １
ｊ
ｊ
左驱动 电机
算 法及 实验情 况等 。
２ 移 动机 器人 运动控 制 系统方 案
２ １ 机 械机 构 ．
效 果 直 接 决定 了移 动 机 器 人 的定 位 精度 和 导航 避 障 的
有效 性 。
图１ 移动 机 器 人 ＷＭＲ－ 的 机 械 结 构 示 意 图 ，它 为 Ｉ 是一 个 （ ，０ ２ ）型 受 非 完整 约束 的差动 驱 动移 动机 器 人 ，其 运行 驱动 由两 个减速 直 流 电机 通过 齿轮 传动 分 别
误差 的关 键 。
３ 控 制 器 设 计
３１ 控 制 器 结 构 ．
１ ）时 ，说 明误 差正 朝误 差绝对 值 增大 的方 向变化 ，且 ） 误 差 仍 较 大 。应 当采 取 较 强 的 控 制 作 用 ，进 行 第一 类 ＰＤ控 制 ，使误 差 朝误 差 绝对 值 减小 的方 向变化 ，并迅 Ｉ 速减 小误 差绝对 值 。此时ＰＤ控 制器控 制输 出 为 ： Ｉ
动 机器 人 的位 姿 ，以累计 值 与 目标 值等 值作 为到达 目标
ｔ
（
）
点的判 断 。
测 程法 （ ｏ ｔ ）不需要 外部 传感器 信 息就 能实 Ｏｄ ｍｅ ｙ ｒ
圈 福 交 科 ２１ 第 期 建 通 技 ０ 年 ５ １
现 对 移 动机 器 人位 置 和 方 向的 估 计 ，能 够提 供 很 高 的 短 期 定 位 精 度 ，但 它 存 在 无 界 的 系 统 和 非 系统 误 差 累
具有 相关 双 闭环控 制 的移动 机器 人运动 控 制器 的结
构 如 图４ 示 。该 控 制器 根 据给 定 速 度 函数 值ｖ （）通 所 ｔ
过专家 ＰＤ控 制实现 对 左 电机 进行 调 速控 制 ，并 以 左驱 Ｉ 动 电机 为速 度参 考 （ 电 编码 器 反馈 值 ） 光 ，控 制 右驱 动 电机 进 行 精 确 实 时速 度 跟 踪 ，以 达 到 两 驱 动 电机 的 同
（ ）当 Ｉ ｎ ｌ Ｍ１ （ 为设 定误 差 界 限 ，ｅ （ ） １ ｅ（ ） ＞ Ｍ１ ｎ
为 采样 时刻 ｎ 的系统 偏 差 ）时 ，说 明此 时 系统 的误 差较 大 ，应 当进 行 开 关 控 制 （ 线性 控 制 ） 非 ，即 使 ＰＤ控 制 Ｉ 器输 出 值最大 或最 小 ，使 误 差迅速 减小 。
是 实现 移 动 机 器 人 各 种 复 杂 运 动 控 制 的 关键 ，其 控 制
与 常规 ＰＤ调 节器 两 方 面 的 优 点 ，从 而 克服 了常 规 ＰＤ Ｉ Ｉ 控 制 的不足 。 本 文将 详 细阐述 基 于 专家 ＰＤ控 制和 相关 双 闭环 运 Ｉ
动控 制器 的移 动机 器人运 动控 制 系统 的设计 方 案 ，控 制
类 ）的相 应控 制 模 式进 行ＰＤ控 制器 电机 驱 动脉 冲 宽度 Ｉ
输 出控制 ：
．
积 ㈨， 系统 误 差 可 通过 改 进机 械结 构 和提 供 较 理 想 环境 来减 小 ，而 非 系统误 差 的减 少则需要 移动 机器 人 更精确
的定 位 （ 线和 角度 ）运动 控 制 。可 见 ，对 两 驱 动轮 的 直
号进 行 ４ 频计 数 ，进 一步 提 高 了编 码 器 的分 辨 率 。电 倍 机速 度 控 制 采 用 脉 宽调 制 （ ＷＭ ）的调 速 方 式 ，运动 Ｐ 控 制器 根 据 光 电编 码 器 反馈 信 息与 期 望值 的偏 差 大 小 ， 分别 调整 两 驱动 轮 的驱动 脉 冲宽 度 ，实现 电机 的 闭环调
一
种相 关双 闭环 运动 控 制器 ，即对 一驱 动轮进 行调 速 闭
环 控 制 ，而 另一驱 动轮 以 该驱 动轮速 度 反馈 值为基 准 进 行 速 度跟 踪 闭环 控 制 ，从 而 考虑 了 两驱 动轮 的相 关 性 ，
使 速度 差得 到 补偿 的 同时 又 不增加 系统 的复 杂性 为了使 控 制器更 好地 工作 ，控 制器 闭环控 制 算法 是