约束耦合影响下的差动机器人主动调速路径跟踪

摘要

差动机器人相比其他类型的机器人展现出更高的灵活性和可扩展性，针对在差动机器人的路径跟踪控制中，约束耦合导致路径跟踪控制精确性不足问题，以非线性模型预测控制（Nonlinear model predictive control, NMPC）为基础，通过分析差动机器人纵向行驶速度与横摆角速度约束之间的耦合关系，以左右侧履带线速度为输入构建了预测模型，利用NMPC中纵向行驶速度与参考路径坐标点之间的耦合关系，提出了一种约束耦合影响下基于NMPC的差动机器人主动调速路径跟踪控制方法.为了验证提出控制方法的有效性，进行了Simulink仿真和真实差动机器人实验验证.结果表明，该运动控制系统提升了差动机器人在路径跟踪控制上的精度，其中位移误差的绝对值不超过0.0723 m，航向误差的绝对值不超过0.0964 rad，相比恒速路径跟踪控制系统，能够将位移误差最大幅值减小达99.22%，航向误差最大幅值减小达93.32%.同时相比现有的主动调速路径跟踪控制系统，能够将位移误差最大幅值和航向误差最大幅值分别减小87.55%和29.69%.此外该控制系统在仿真与实验中的解算时间18.00 ms，满足实时性要求.

关键词

差动机器人 / 路径跟踪 / 约束耦合 / 模型预测控制 / 速度调节

基金资助

国家重点研发计划资助项目(2023YFC3806603); 中国博士后科学基金资助项目(2022M710354)