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纵向打滑状态下的轮式移动机器人编队控制

更新时间：2019-12-24 17:50:04 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：移动机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对轮式移动机器人车轮纵向打滑时的编队控制问题,提出一种基于滑移率补偿和模糊逻辑的多机器人编队控制器设计方法.首先,利用速度传感器获取机器人的实际速度信息,并进行滤波减少传感器噪声.结合速度输入指令信号得到滑移率估计值,用以描述机器人纵向打滑的程度.然后根据领航跟随法,设计补偿纵向打滑的编队控制策略,并采用模糊逻辑设计控制器参数.最后在Microsoft Robotics Developer Studio 4(MRDS4)中搭建3D物理仿真平台,进行编队控制仿真,验证了领航、跟随机器人发生打滑的情况下所提方法的有效性.


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1
Vol． 45 No． 1  
Jan． 2017  
第
期
电
子
学
报
2017  
1
ACTA ELECTRONICA SINICA  
年
月
纵向打滑状态下的轮式移动机器人编队控制  
， ， ，  
王保防 张瑞雷 郭 健 陈庆伟  
(
，
南京理工大学自动化学院 江苏南京  
210094)  
:
，
针对轮式移动机器人车轮纵向打滑时的编队控制问题 提出一种基于滑移率补偿和模糊逻辑的多机器  
摘
要
． ， ， ．  
人编队控制器设计方法 首先 利用速度传感器获取机器人的实际速度信息 并进行滤波减少传感器噪声 结合速度输  
，
．
，
入指令信号得到滑移率估计值 用以描述机器人纵向打滑的程度 然后根据领航跟随法 设计补偿纵向打滑的编队控  
Microsoft Robotics Developer Studio 4 ( MRDS4) 3D  
物理仿真  
，
．
制策略 并采用模糊逻辑设计控制器参数 最后在  
中搭建  
， ， 、  
平台 进行编队控制仿真 验证了领航 跟随机器人发生打滑的情况下所提方法的有效性  
．
:
;
;
;
关键词  
中图分类号  
URL: http: / /www． ejournal． org． cn  
轮式移动机器人 纵向打滑 模糊控制 编队控制  
:
TP273  
:
A
: 0372-2112 ( 2017) 01-0206-07  
DOI: 10． 3969 /j． issn． 0372-2112． 2017． 01． 028  
文献标识码  
文章编号  
电子学报  
Formation Control for Car-Like Mobile Robots Under Slip Conditions  
WANG Bao-fang，ZHANG Rui-lei，GUO Jian，CHEN Qing-wei  
( School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210094，China)  
Abstract: For the formation control problem of the car-like mobile robot with longitudinal slip，a formation control  
algorithm is proposed based on the compensation of slip ratio and fuzzy logic． Firstly，the real velocity of the robot is ac-  
quired by sensors． And decrease the noise through filtering． Then the real velocity is compared with the input velocity signal  
to get the estimation of slip ratio，which represents the degree of slip． According to the leader-follower method，a formation  
control strategy with compensation of slip ratio is designed，and fuzzy logic is adapted to design controller parameters． Final-  
ly，simulations are designed in the Microsoft Robotics Developer Studio 4． The simulation results show the effectiveness of  
the presented method in many situations when the leading or following robot slips．  
Key words: car-like mobile robot; longitudinal slip; fuzzy control; formation control  
．
人编队控制进行研究  
1
引言  
，
滑移率是指车轮运动中滑动成分所占的比例 路  
， 、 、 、  
近几年来 随着机械 电子 传感器 驱动与控制等  
，
面附着系数是指附着力与车轮法向压力的比值 附着  
［5］  
，
多个领域的迅速发展 机器人行业越来越受到人们的  
， ，  
系数越大 可利用的附着力越大 越不容易打滑  
．
在
［1］  
，
关注 多机器人编队控制逐渐成为研究的热点  
．
多机  
，
车辆工程领域 已经有许多对滑移率和路面附着系数  
器人系统与单机器人相比具有更高的工作效率和稳定  
． ［6］  
研究的文献 文献 对汽车行业研究领域常用的路面  
， 、 、 、  
性 因此多机器人编队控制在运输 侦查 救援 扫雷和  
，
附着系数的识别方法进行了介绍 并给出了路面附着  
．
地理勘测等众多领域有广阔的应用前景  
． ［7］  
系数与滑移率之间的关系曲线 文献 介绍了近年来  
，
目前 轮式移动机器人编队研究领域的绝大多数  
，
汽车行驶状态参数估计的研究进展 指出了利用车上  
“ ”  
文献都使用了机器人车轮 纯滚动无滑动 的假设条  
已有的传感器获得汽车行驶状态信息进行路面附着系  
［2 ～ 4］  
．
， ， 、 、  
然而 在实际环境中 路面结冰 车轮沾水 沙地  
件
． ，  
数估计的必要性 由此可知 路面附着系数和滑移率与  
、 ，  
行驶 轮胎纹理磨损等多种原因 经常导致车轮发生一  
，
路面和车轮的状态有关 一般不可预知  
．
， ，  
定程度的空转 致使轮式移动机器人产生滑动 不能满  
对打滑状态下轮式移动机器人轨迹跟踪以及编队  
． ，  
足假设条件 因此 需要对打滑状态下的轮式移动机器  
． ［8］  
控制的研究已经从多方面展开 文献 针对车轮存在  
: 2015-07-24;  
: 2015-10-12; :  
责任编辑 孙瑶  
收稿日期  
修回日期  
:
基金项目 国家自然科学基金  
( No． 61074023)  
207  
1
:
王保防 纵向打滑状态下的轮式移动机器人编队控制  
第
期
，
纵向打滑的轨迹跟踪问题 利用  
LMI  
的方法设计了控  
． ［9］  
制器 文献 提出了轮子发生纵向和侧向滑动的两轮  
， ．  
差动机器人运动学模型 测试了其能控性 文献  
［10］  
将
，
与滑移率有关的参数设为未知参数 通过自适应方法  
， ．  
进行在线辨识 并设计了自适应轨迹跟踪控制器 文献  
［11］ ，  
提出了纵向打滑条件下 两轮差动机器人的二阶  
． ［12］ ，  
滑模控制方法 文献 研究了侧向滑动影响下 轮式  
． ，  
移动机器人的离散时间滑模控制方法 上述文献中 通  
常在滑移率参数慢时变或者定常的假设条件下进行仿  
， ． ［13］  
真 对提出的算法进行了验证 文献 利用多种传感  
，
器获取存在打滑的轮式移动机器人的精确位姿信息  
，
并设计了轨迹跟踪控制控制器 避免了不连续参数难  
，
以进行参数在线辨识的问题 但其使用了高精度的传  
，
感器来获取机器人的精确位姿信息 成本较高  
．
本文针对纵向打滑情况下轮式移动机器人的编队  
， ［7］  
控制问题 结合文献 中利用车上已有传感器估计滑  
， ，  
移率的思想 解决高精度传感器成本高的问题 并避免  
自适应控制等方法在参数辨识的过程中需要满足滑移  
． ，  
率慢时变条件的难题 利用速度传感器的输出 经过滤  
， ，  
波后得到滑移率估计值 采用领航跟随法 进行速度补  
， ，  
偿 设计模糊编队控制器 实现轮式移动机器人的编队  
．
控制 应用  
MRDS  
，
设计三维物理仿真 验证所提方法的  
，
由于路面粗糙度和干湿状况无法预测 所以路面  
．
有效性  
s ，  
附着系数 是可突变且无规律的变量 结合上述 μ  
－ s  
2
，
曲线的关系 可知滑移率 μ 也是无规律变化的  
．
问题描述  
*
v
－ v  
*
2. 1  
=
，v  
= R  
ω
( 2)  
轮式移动机器人数学模型  
轮式移动机器人的运动学示意图如图 所示 前轮  
，l  
μ
v
1
，
［5］  
( 2)  
式
， v  
为滑移率计算公式 其中 是机器人移动的  
，
可绕垂直于地面的轴转动 后轮与运动方向保持一致  
*
，v ，  
实际速度 是车轮纯滚动条件下的期望速度 其大小等  
，
表示前后轮轴间距 机器人的位姿向量为  
p = ［x，y，  
．
于车轮转动的角速度与车轮半径的乘积 由式  
( 2)  
( 1)  
和式  
T
T
］ ．  
θ
，［x，y］  
其中  
，
为后轮轮轴中心坐标 θ 为车身方向  
，
可得 纵向打滑条件下轮式移动机器人的运动学方程为  
:
T
x
，［v，］  
轴方向的夹角   
，v  
是机器人的控制输入 为  
与
*
x= v cos /( 1 + )  
θ μ  
， ， ．  
后轮前进速度 为前轮转动角度 顺时针方向为正 在  
*
y = v sin /( 1 + )  
μ
( 3)  
θ
， 0，  
车轮纯滚动无滑动条件下 即滑移率为 轮式移动机  
{
*
θ
= v tan /( l + l )  
 μ  
［14，15］  
:
器人的运动学模型如下  
2. 3  
编队队形位姿误差动态模型  
x= vcos  
θ
，
采用领航跟随法 跟随机器人通过对比自身与相  
y = vsin  
( 1)  
θ
{
， ，  
应虚拟机器人的位置姿态信息 来确定是否移动 当两  
θ
= vtan /l  
， ，  
者状态信息达到一致时 可形成设定的编队队形 以典  
2. 2  
纵向滑移率  
， 3  
型三角形编队为例 如图 所示  
．
， 、  
轮式机器人在实际环境中行驶 遇到湿滑路面 沙  
3
R
，R  
R
，
为跟随机器人  
图
中
为领航机器人  
和
L
F1  
F2  
，
土路面 或者轮胎纹理受到磨损等多种情况时均会导  
R
R
． R  
要跟随的虚拟机器人 的位置和姿态信息  
V
是
V
F1  
; ，  
致机器人发生纵向打滑 而转弯速度过快 横向受力大  
T
T
［x ，y ， ］  
θ
V
R
［ ，］  
和队形参数 ρ φ 确  
可以根据领航者  
V
V
L
， ．  
于路面附着力时 则会产生横向打滑 由于轮式移动机  
［16］  
， :  
即
定
，
器人纵向打滑的情况比较普遍 故本文中只对纵向打  
x = x － cos(  
ρ
L
+ )  
φ
θ
L
V
，
滑的情况进行研究 纵向滑移率与附着系数之间的关  
v = v  
V
L
［6］  
y = y － sin(  
ρ
L
+ ) ，  
φ
( 4)  
θ
L
V
2
系曲线如图 所示  
，
20%  
本文只考虑滑移率≤  
的稳定  
{
=
φ
φ
{
V
L
=
θ
θ
，
情况 不稳定的情况可控性低不予考虑  
．
V
L

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