自主移動機器人運動控制與協調問題及優化

張繪敏，韓海敏，王麗余

河南應用技術職業學院，河南鄭州，450042

0 引言

在機器人領域中自主移動技術是近幾年出現的新型技術，可以通過特定傳感器自主檢測周邊環境，并經過自主評估之后做出相應決策，以實現自主移動。自主移動型機器人主要應用自主移動以及行動控制新型技術，并在軍事、工業、服務業、工業等方面得到大范圍應用。例如，在工業領域應用較為普遍的AGV機器人能夠進行自主搬運，保證倉庫的高效管理；在農業方面應用較為成熟的機器人主要是替代人工進行播種、噴藥、采收以及除草等工作；服務型機器人則在飯店、賓館、銀行以及醫院等行業的應用較為普遍；與此同時，自主移動型機器人在軍事領域主要用于搜救以及偵查等，并且其在軍事領域的應用能夠最大限度地保障軍事安全，使得戰爭方式呈現多樣化趨勢，為戰場指揮效果的提升奠定基礎。目前，人們仍然在不斷進行探索，希望其能夠進行更大范圍的應用，例如海底和太空等人類不能進入的空間領域。

1 自主移動型機器人的具體分類

科技的發展促使自主移動型機器人成為現階段人們的研究重點，同時自主移動型機器人已經在各個行業得到較為普遍的應用，代替人力完成一些難度較大的工作[1]。自主移動型機器人依據其主要的使用環境、功能以及移動方式等，可以具體劃分為以下幾個類別：首先是輪式運動型機器人（圖1），此種機器人是目前使用頻率最高的機器人，在家庭中有我們常見的用于掃地的小型機器人，在工業領域中有利用無人駕駛技術運行的汽車等，并且此類機器人的功能十分強大，甚至可以獨自完成短距離運輸；其次是履帶式運動機器人（圖2），顧名思義，此類機器人主要是依靠履帶完成傳動，因此此種類型的機器人主要應用在極端條件下，并且此類機器人的運載量也遠遠高于輪式機器人，因此在軍事領域的應用較為普遍，在物資的運送以及掃雷過程中出現頻率最高；最后是腿式運動機器人（圖3），此種機器人是最近一段時間研究出來的仿生類型機器人，其運動形式與人類或者動物的基礎運動形式相類似。

2 自主移動機器人運動控制與協調問題及優化

2.1 運動控制方面存在的問題及其優化辦法

首先是點鎮定問題。從自主移動型機器人的運動控制角度來說，通常我們假設輪子與地面之間只存在滾動運動，此時機器人運動受到的是非完整的約束限制，在一定程度上影響其在進行瞬時運動時對方向的控制力，這對此類機器人的反饋控制器的設計工作帶來一定挑戰。雖然從理論上講非完整的約束系統是可以控制的，但是其不能滿足必要的反饋鎮定條件。要想解決這一問題，需要我們積極探尋新的解決辦法。

現階段最常見的應對辦法主要有連續性時變和非連續性不變反饋鎮定辦法以及混合性控制辦法。連續性時變反饋鎮定方法又叫光滑時變反饋鎮定，通常用在鏈式非完整系統，對此系統的點鎮定和固定參考標架的路徑跟蹤問題的全局漸進控制率可以讓全局漸進穩定，此方法產生時變信號是通過周期函數，不足時收斂速度慢，為解決這個問題就引入了動態振蕩函數和指數鎮定率，通過齊次反饋實現處處連續的時變反饋控制規律達到ρ指數穩定。非連續性不變反饋鎮定辦法是一種不連續或分段連續的時不變反饋控制，可以采用自適應控制率達到系統魯棒鎮定，也可以用滑膜控制方法設計局部鎮定控制器，不但可以減小系統的抖振，而且當擾動滿足相應的增長條件使系統狀態有限時間內收斂到原點。混合性控制辦法主要是針對系統中存在的不確定性，以監督控制策略為基礎設計混合控制率，并依據此原理結合高層離散監督器和底層反饋控制率設計混合控制系統，以保證全局的收斂性，實現閉環控制系統的漸近穩定性。

其次是軌跡追蹤問題。從理論上講，在機器人進行自主移動期間，只要保證其移動軌跡上的參考點進行持續移動，就能夠使必要的Brockett條件得到滿足，進而實現軌跡追蹤。但是從此系統的真實運動數據來看，由于受到建模以及測量精度的影響，加上外界干擾和負載的不穩定，導致想要在短時間內獲得精確的模型系統難度較大，進而影響對運動軌跡的控制追蹤力度，受相關參數或者非參數之間存在的不確定性的影響，導致系統不能呈現最佳的運動狀態[2]。我們可以科學選擇智能、自適應或者是自適應魯棒等控制辦法來有效應對這一問題。以智能控制為例，其主要的控制基點是通過模仿人的智能，以控制技術實現對復雜不確定性控制系統的有效控制，并且其是計算機科學、人工智能以及控制理論相融合的產物，主要用于解決傳統控制手段無法解決的控制難題。

2.2 運動協調方面存在的問題及其優化辦法

多機器人運動協調主要研究機器人間的合作和協調，合作主要是高層組織和決策問題，能否達到高效完成任務的目的；而協調是多機器人運動中的動作是否協調一致的問題。這就需要保證機器人系統中信息的暢通，便于機器人的交互活動。通過近十幾年的廣泛研究，目前編隊的控制和協同目標的追蹤問題是多機器人運動協調熱點研究的問題。

首先是編隊的控制問題。通常當單個的自主移動性機器人不能單獨完成某項任務時，會將機器人進行臨時編隊，將多個機器人組合為某個特定的隊形，促使機器人通過相互協作完成較為復雜的任務。但是在編隊機器人執行任務期間通常受通信問題影響而出現隊形散亂問題。針對這一現象，我們可以有意識地選擇虛擬結構、基于行為的方法、基于圖論的方法以及領航－跟隨等辦法來保持機器人編隊的完整。

對于虛擬結構法（如圖4）來說，就是將多個機器人組成的編隊看成一個虛擬整體，使虛擬整體按照期望隊形進行移動，每一個單獨成員依據虛擬位置控制自身行為。此種辦法將任務的描述和分配進行簡化，并在一定程度上提高了編隊控制的精確度，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境變化做出反應，從而采取進一步的行動，對于無法預知的場所或者環境實時性和魯棒性更強，不足就是系統行為無法準確預測，不能精準分析編隊系統的穩定性。

基于圖論的方法通過拉普拉斯矩陣的特征值驗證編隊控制律的穩定性，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頂點的距離是一定并保持的，用于多智能體的隊形變換和編隊控制率的設計。但因基于距離的控制率是非線性的，進而導致系統的非線性，只能實現局部漸近穩定，而不能達到全局收斂的效果。

領航－跟隨（leader-follower）方法(如圖6）中的領航者是系統中的其中一個機器人，其他機器人跟隨它來實現編隊控制。該方法實現簡單，每個跟隨機器人跟蹤領航機器人的方式只要能控制好，就能實現多機器人行為的目的。不足是跟隨者過分依賴領航者，不能根據整個網絡狀態調整自己，離開領航者就系統失效，隊形難以保持。

其次是協同目標的追蹤問題。自主移動式機器人的協同目標追蹤，主要說的是在系統的控制下若干機器人圍繞任務目標自行規劃自身運動，并由系統及時調整這些機器人的狀態與目標，確保對目標形成合圍，以實現對目標的追蹤和捕獲。但是在機器人實際移動期間，由于各個機器人之間的角間距、相對距離以及環繞速度等存在變數，導致追蹤任務的完成效果與預期不符。針對這一問題，在進行機器人的編隊設計時，應該盡量將其設計為環形（圖7），促使編隊在執行追蹤任務時，機器人個體可以圍繞目標進行圓周運動，一方面完全覆蓋目標，另一方面還可以防止目標進行逃逸。另外，圓形編隊可以使個體機器人的移動速度以及間距始終保持恒定。同時主從機器人分工明確，協同合作，從機器人通過WIFI網絡實施獲取主機器人的規劃路徑、方向和速度，自身實時跟隨主機器人一起運動。

3 自主移動機器人運動控制系統軟硬件結構設計

3.1 電子羅盤設計

要最大限度保障自主移動式機器人的運動精確度，首先需要做好機器人的運動定位設計。通常情況下，人們會借助光學以及力學傳感器來保證機器人的良好運動性能，但是同樣離不開電子羅盤的支持。為了實現機器人的精準移動，要借助羅盤實現機器人運動信息的實時傳送，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型機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，應該將其安裝在機器人的中心或者是頂部位置，最大限度減少因為機器人的自身因素所產生的誤差。

3.2 電機驅動模塊設計

電機驅動模塊所應用的電路屬于集成電路，由于這種電路采取的是雙H橋式的設計形式，促使其電壓和電流的功率相對較大，通常情況下主要承擔電感性負載任務，并主要由繼電器、線圈、直流電機以及步進電機等結構組成[4]。電機驅動模塊的外部主要由Multiawatt 塑料作為封裝材料，內部由四種類型的驅動器組成，并且各個驅動器之間并不會開展統一運作，而是由各個驅動器進行單獨運作。

3.3 運動定位設計

自主移動式機器人的運動控制與協調問題的核心是，如何才能全面有效地掌握這些機器人個體的實時位置，并以此為依據評估機器人個體所處的相對位置，為后期具體控制辦法的制定提供可靠依據[5]。為了解決這一問題，需要在其運動控制系統中安裝定位系統，以實現對機器人個體的實時追蹤。例如，可以在控制系統中安裝高精度定位板卡，通過板卡與其定位系統保持連通，以實現對機器人個體的實時持續定位；同時通過搭配高精度天線接收GPS、北斗等多系統定位信號，提升定位精度。

3.4 軟件結構設計

自主移動型機器人的核心組件是其運動控制系統，并且這也是機器人進行正常運行的前提和基礎。在設計這類機器人的操作系統時，大部分設計師都會選擇使用Windows10，而C++則通常用于設計程序開發系統。在運動控制系統中最常用的系統是CRobol-ActionCui，并借助此系統實現對機器人移動信息的持續實時采集。例如，借助此系統可以對處于運動狀態的借助空氣動力飛行的自主移動式機器人下達降落、懸停以及升起等指令。

3.5 功能結構設計

由于自主移動式機器人通常情況下是在較差的環境條件下使用，并且需要在這樣的條件下完成相應的工作任務，這對于此類機器人的運動控制系統來說是一種挑戰。為了有效應對此類機器人的使用環境，設計人員在進行其功能結構設計時首先需要保障機器人無論是何種條件下都能夠平穩運行。其次需要加大此類機器人的抗干擾性能。因此設計人員在進行設計時要綜合考慮一系列影響因素，結合機械原理以及實際情況，開發出行之有效的控制算法，保證此類機器人各項功能的正常運行[6]。

4 結語

綜上所述，自主移動式機器人與工業領域大范圍應用的機器人之間的區別在于其應用范圍更廣，自主移動式機器人的核心結構是運動控制系統，這也是機器人能夠完成復雜任務的基礎。為了能夠促使此類機器人更好地為社會服務，需要相關單位或者個人積極探究其運動控制系統中存在的問題，并找出針對性的優化途徑，最大限度提高此類機器人的設計層次，促使其更好地為人們的生產和生活服務。