自主移动机器人运动控制与协调问题及优化

张绘敏，韩海敏，王丽余

河南应用技术职业学院，河南郑州，450042

0 引言

在机器人领域中自主移动技术是近几年出现的新型技术，可以通过特定传感器自主检测周边环境，并经过自主评估之后做出相应决策，以实现自主移动。自主移动型机器人主要应用自主移动以及行动控制新型技术，并在军事、工业、服务业、工业等方面得到大范围应用。例如，在工业领域应用较为普遍的AGV机器人能够进行自主搬运，保证仓库的高效管理；在农业方面应用较为成熟的机器人主要是替代人工进行播种、喷药、采收以及除草等工作；服务型机器人则在饭店、宾馆、银行以及医院等行业的应用较为普遍；与此同时，自主移动型机器人在军事领域主要用于搜救以及侦查等，并且其在军事领域的应用能够最大限度地保障军事安全，使得战争方式呈现多样化趋势，为战场指挥效果的提升奠定基础。目前，人们仍然在不断进行探索，希望其能够进行更大范围的应用，例如海底和太空等人类不能进入的空间领域。

1 自主移动型机器人的具体分类

科技的发展促使自主移动型机器人成为现阶段人们的研究重点，同时自主移动型机器人已经在各个行业得到较为普遍的应用，代替人力完成一些难度较大的工作[1]。自主移动型机器人依据其主要的使用环境、功能以及移动方式等，可以具体划分为以下几个类别：首先是轮式运动型机器人（图1），此种机器人是目前使用频率最高的机器人，在家庭中有我们常见的用于扫地的小型机器人，在工业领域中有利用无人驾驶技术运行的汽车等，并且此类机器人的功能十分强大，甚至可以独自完成短距离运输；其次是履带式运动机器人（图2），顾名思义，此类机器人主要是依靠履带完成传动，因此此种类型的机器人主要应用在极端条件下，并且此类机器人的运载量也远远高于轮式机器人，因此在军事领域的应用较为普遍，在物资的运送以及扫雷过程中出现频率最高；最后是腿式运动机器人（图3），此种机器人是最近一段时间研究出来的仿生类型机器人，其运动形式与人类或者动物的基础运动形式相类似。

2 自主移动机器人运动控制与协调问题及优化

2.1 运动控制方面存在的问题及其优化办法

首先是点镇定问题。从自主移动型机器人的运动控制角度来说，通常我们假设轮子与地面之间只存在滚动运动，此时机器人运动受到的是非完整的约束限制，在一定程度上影响其在进行瞬时运动时对方向的控制力，这对此类机器人的反馈控制器的设计工作带来一定挑战。虽然从理论上讲非完整的约束系统是可以控制的，但是其不能满足必要的反馈镇定条件。要想解决这一问题，需要我们积极探寻新的解决办法。

现阶段最常见的应对办法主要有连续性时变和非连续性不变反馈镇定办法以及混合性控制办法。连续性时变反馈镇定方法又叫光滑时变反馈镇定，通常用在链式非完整系统，对此系统的点镇定和固定参考标架的路径跟踪问题的全局渐进控制率可以让全局渐进稳定，此方法产生时变信号是通过周期函数，不足时收敛速度慢，为解决这个问题就引入了动态振荡函数和指数镇定率，通过齐次反馈实现处处连续的时变反馈控制规律达到ρ指数稳定。非连续性不变反馈镇定办法是一种不连续或分段连续的时不变反馈控制，可以采用自适应控制率达到系统鲁棒镇定，也可以用滑膜控制方法设计局部镇定控制器，不但可以减小系统的抖振，而且当扰动满足相应的增长条件使系统状态有限时间内收敛到原点。混合性控制办法主要是针对系统中存在的不确定性，以监督控制策略为基础设计混合控制率，并依据此原理结合高层离散监督器和底层反馈控制率设计混合控制系统，以保证全局的收敛性，实现闭环控制系统的渐近稳定性。

其次是轨迹追踪问题。从理论上讲，在机器人进行自主移动期间，只要保证其移动轨迹上的参考点进行持续移动，就能够使必要的Brockett条件得到满足，进而实现轨迹追踪。但是从此系统的真实运动数据来看，由于受到建模以及测量精度的影响，加上外界干扰和负载的不稳定，导致想要在短时间内获得精确的模型系统难度较大，进而影响对运动轨迹的控制追踪力度，受相关参数或者非参数之间存在的不确定性的影响，导致系统不能呈现最佳的运动状态[2]。我们可以科学选择智能、自适应或者是自适应鲁棒等控制办法来有效应对这一问题。以智能控制为例，其主要的控制基点是通过模仿人的智能，以控制技术实现对复杂不确定性控制系统的有效控制，并且其是计算机科学、人工智能以及控制理论相融合的产物，主要用于解决传统控制手段无法解决的控制难题。

2.2 运动协调方面存在的问题及其优化办法

多机器人运动协调主要研究机器人间的合作和协调，合作主要是高层组织和决策问题，能否达到高效完成任务的目的；而协调是多机器人运动中的动作是否协调一致的问题。这就需要保证机器人系统中信息的畅通，便于机器人的交互活动。通过近十几年的广泛研究，目前编队的控制和协同目标的追踪问题是多机器人运动协调热点研究的问题。

首先是编队的控制问题。通常当单个的自主移动性机器人不能单独完成某项任务时，会将机器人进行临时编队，将多个机器人组合为某个特定的队形，促使机器人通过相互协作完成较为复杂的任务。但是在编队机器人执行任务期间通常受通信问题影响而出现队形散乱问题。针对这一现象，我们可以有意识地选择虚拟结构、基于行为的方法、基于图论的方法以及领航－跟随等办法来保持机器人编队的完整。

对于虚拟结构法（如图4）来说，就是将多个机器人组成的编队看成一个虚拟整体，使虚拟整体按照期望队形进行移动，每一个单独成员依据虚拟位置控制自身行为。此种办法将任务的描述和分配进行简化，并在一定程度上提高了编队控制的精确度，但是这种办法属于集中控制，在灵活性以及适应性方面存在不足。

基于行为的方法是一种新的智能控制方法，直接采用传感器采集并感知环境变化做出反应，从而采取进一步的行动，对于无法预知的场所或者环境实时性和鲁棒性更强，不足就是系统行为无法准确预测，不能精准分析编队系统的稳定性。

基于图论的方法通过拉普拉斯矩阵的特征值验证编队控制律的稳定性，图论中重要的工具就是刚性图论（如图5），在刚性图中任意两个顶点的距离是一定并保持的，用于多智能体的队形变换和编队控制率的设计。但因基于距离的控制率是非线性的，进而导致系统的非线性，只能实现局部渐近稳定，而不能达到全局收敛的效果。

领航－跟随（leader-follower）方法(如图6）中的领航者是系统中的其中一个机器人，其他机器人跟随它来实现编队控制。该方法实现简单，每个跟随机器人跟踪领航机器人的方式只要能控制好，就能实现多机器人行为的目的。不足是跟随者过分依赖领航者，不能根据整个网络状态调整自己，离开领航者就系统失效，队形难以保持。

其次是协同目标的追踪问题。自主移动式机器人的协同目标追踪，主要说的是在系统的控制下若干机器人围绕任务目标自行规划自身运动，并由系统及时调整这些机器人的状态与目标，确保对目标形成合围，以实现对目标的追踪和捕获。但是在机器人实际移动期间，由于各个机器人之间的角间距、相对距离以及环绕速度等存在变数，导致追踪任务的完成效果与预期不符。针对这一问题，在进行机器人的编队设计时，应该尽量将其设计为环形（图7），促使编队在执行追踪任务时，机器人个体可以围绕目标进行圆周运动，一方面完全覆盖目标，另一方面还可以防止目标进行逃逸。另外，圆形编队可以使个体机器人的移动速度以及间距始终保持恒定。同时主从机器人分工明确，协同合作，从机器人通过WIFI网络实施获取主机器人的规划路径、方向和速度，自身实时跟随主机器人一起运动。

3 自主移动机器人运动控制系统软硬件结构设计

3.1 电子罗盘设计

要最大限度保障自主移动式机器人的运动精确度，首先需要做好机器人的运动定位设计。通常情况下，人们会借助光学以及力学传感器来保证机器人的良好运动性能，但是同样离不开电子罗盘的支持。为了实现机器人的精准移动，要借助罗盘实现机器人运动信息的实时传送，并尽可能减少外界因素，例如，磁场等的干扰[3]。而TDC3类型的电子罗盘由于更符合自主移动型机器人的要求而在一众罗盘中脱颖而出。需要注意的是，在安装罗盘时，应该将其安装在机器人的中心或者是顶部位置，最大限度减少因为机器人的自身因素所产生的误差。

3.2 电机驱动模块设计

电机驱动模块所应用的电路属于集成电路，由于这种电路采取的是双H桥式的设计形式，促使其电压和电流的功率相对较大，通常情况下主要承担电感性负载任务，并主要由继电器、线圈、直流电机以及步进电机等结构组成[4]。电机驱动模块的外部主要由Multiawatt 塑料作为封装材料，内部由四种类型的驱动器组成，并且各个驱动器之间并不会开展统一运作，而是由各个驱动器进行单独运作。

3.3 运动定位设计

自主移动式机器人的运动控制与协调问题的核心是，如何才能全面有效地掌握这些机器人个体的实时位置，并以此为依据评估机器人个体所处的相对位置，为后期具体控制办法的制定提供可靠依据[5]。为了解决这一问题，需要在其运动控制系统中安装定位系统，以实现对机器人个体的实时追踪。例如，可以在控制系统中安装高精度定位板卡，通过板卡与其定位系统保持连通，以实现对机器人个体的实时持续定位；同时通过搭配高精度天线接收GPS、北斗等多系统定位信号，提升定位精度。

3.4 软件结构设计

自主移动型机器人的核心组件是其运动控制系统，并且这也是机器人进行正常运行的前提和基础。在设计这类机器人的操作系统时，大部分设计师都会选择使用Windows10，而C++则通常用于设计程序开发系统。在运动控制系统中最常用的系统是CRobol-ActionCui，并借助此系统实现对机器人移动信息的持续实时采集。例如，借助此系统可以对处于运动状态的借助空气动力飞行的自主移动式机器人下达降落、悬停以及升起等指令。

3.5 功能结构设计

由于自主移动式机器人通常情况下是在较差的环境条件下使用，并且需要在这样的条件下完成相应的工作任务，这对于此类机器人的运动控制系统来说是一种挑战。为了有效应对此类机器人的使用环境，设计人员在进行其功能结构设计时首先需要保障机器人无论是何种条件下都能够平稳运行。其次需要加大此类机器人的抗干扰性能。因此设计人员在进行设计时要综合考虑一系列影响因素，结合机械原理以及实际情况，开发出行之有效的控制算法，保证此类机器人各项功能的正常运行[6]。

4 结语

综上所述，自主移动式机器人与工业领域大范围应用的机器人之间的区别在于其应用范围更广，自主移动式机器人的核心结构是运动控制系统，这也是机器人能够完成复杂任务的基础。为了能够促使此类机器人更好地为社会服务，需要相关单位或者个人积极探究其运动控制系统中存在的问题，并找出针对性的优化途径，最大限度提高此类机器人的设计层次，促使其更好地为人们的生产和生活服务。