四舵轮移动机器人运动控制——基本原理与应用

智能制造是世界各大国发展先进制造技术与产业的战略性制高点，为我国从“制造大国”跨越成为“制造强国”提供了开道超车、跨越发展的重大历史机遇。移动机器人技术作为智能制造的重要赋能技术，能够降低生产成本、提高生产效率，广泛应用于人机协作、无人工厂乃至国防科技等领域，是智能制造业的重要支柱。其技术发展水平是一个国家工业自动化水平的重要标志，具有重要的战略意义。目前，移动机器人普遍采用双驱差速轮和四驱麦轮（麦克纳姆轮）等驱动方式，其中双驱差速轮无法斜行，当物流停靠站点密集时需反复绕圈转向，运行速度低，效率低；而四驱麦轮与地面接触面积的非均匀变化易导致机器人振动，平稳性以及地面适应性差，难以满足智能制造场合高速移动、频繁启停的高性能运行需求。有鉴于此，本书针对智能制造领域中的运载操作一体化运行需求，提出四轮独立驱动、四轮全转向的轮毂电机冗余驱动方式，其在灵活性、承载能力、环境适应性等方面具有明显优势。从四轮转角分配分析，移动机器人可配置在原点回转、斜行以及可调节式阿克曼等模式。各模式差异化动态特性，一方面可避开奇异位形与障碍物，提高机器人对复杂动态环境的适应性和运动灵活性；另一方面为多模式自适应切换提供可能，以期达到改善控制精度的目的。本书以四舵轮移动机器人为研究对象，主要包括9章内容，为智能制造、移动机器人、控制理论及应用等领域的技术人员和专家学者提供必要的参考。第1章是移动机器人概述，使读者对移动机器人特别是四舵轮移动机器人系统有基本的了解。第2章主要介绍了四舵轮移动机器人的运动学和动力学模型，为后续运动控制器的设计奠定基础。第3章和第4章分别基于运动学和动力学两个方面对四舵轮移动机器人进行了多模式异步切换控制器的设计。第5章至第9章主要介绍了四舵轮移动机器人避障跟踪控制、增益自调整鲁棒控制、扰动自补偿解耦控制、分布式力矩容错分配和停靠误差迭代自补偿等，同时还列举了四舵轮移动机器人的典型应用案例。本书是作者团队在移动机器人和机器人无人技术方面取得的成果总结，可作为有志于开发移动机器人在物流、移动加工、物料运输等行业中的应用的技术人员的参考书，也可帮助对移动机器人感兴趣的读者快速入门，加深其对移动机器人运动过程的理解，还可供从事移动机器人通用技术的研究者参考。本书由华中科技大学谢远龙、王书亭和武汉纺织大学蒋立泉共同撰写。此外，本书的出版还得到了张鸿洋、王宇翔、程祥等的支持与帮助，在此一并表示衷心的感谢。由于作者水平有限，书中可能存在不妥之处，敬请各位专家、读者批评指正。谢远龙 王书亭 蒋立泉2022年12月

四舵轮移动机器人具有良好的适应性和机动性。本书以工业场景下运行四舵轮移动机器人为研究对象，重点研究了动力学/运动学模型的多模式异步切换，提高了运行的灵活性；进一步，研究分数阶的自主避障跟踪方法，实现高动态场景运行的适应性；同时，在保障运行方面，通过参数自适应调整并对扰动进行估计和补偿，提高了运行的鲁棒性和稳定性；在设备检测方面，实现了车辆故障的自动检测，并设计了容缺的控制方法；*后，在集成的四舵轮移动机器人上，考虑了定位不确定性，设计了动态补偿的停靠方案，实现精准停靠，满足上下料要求。本书的定位为机械、自动化及相关专业的本科高年级以上水平读者易读懂、用得上的参考书,主要读者对象为在读研究生、高校教师及科研人员

谢远龙，博士，籍贯江西赣州，华中科技大学机械学院讲师、硕士生导师。2014年6月获得华中科技大学电气工程及其自动化专业学士学位。2018年12月获得华中科技大学机械电子工程专业博士学位。2017年11月至2018年4月受学校资助在英国利兹大学进行交流访问。2018年12月至2021年8月在本院国家企业信息化支撑软件工程技术研究中心开展博士后工作。主要研究方向包括智能控制、移动机器人、智能制造和自主无人系统等领域。近五年以来，在IEEE TIE, IEEE TIM, IEEE-ASME TMECH, RCIM, ACC, AIM, CCC等期刊/会议发表SCI/EI 论文90余篇（其中一作/通讯作者发表SCI论文25篇，SCIE高被引论文1篇，权威期刊封面论文1篇），合著专著1本，申请/授权发明专利45项。

1移动机器人概述(1)

1.1引言(1)

1.2移动机器人定义(1)

1.3移动机器人的传感器(6)

1.3.1移动机器人常用传感器分类(6)

1.3.2常用传感器介绍(6)

1.4移动机器人的应用场景(9)

参考文献(13)

2四舵轮移动机器人运动学和动力学模型(16)

2.1概述(16)

2.2四舵轮移动机器人平台模型(17)

2.3移动机器人运动学建模(19)

2.4移动机器人动力学建模(20)

参考文献(21)

3基于运动学的多模式异步切换控制(23)

3.1问题描述(23)

3.2统一无颤振积分滑模控制方法(23)

3.3多模式匹配异步切换控制(28)

3.3.1多模式层级异步切换监督判据(28)

3.3.2多模式层级异步切换逻辑准则(29)

3.3.3稳定性和收敛性证明(31)

3.4效果分析(34)

参考文献(42)

4基于动力学的多模式异步切换控制(45)

4.1问题描述(45)

4.2基于状态观测器的切换信号采样机制(45)

4.2.1延时环境下多模式异步切换模型(45)

4.2.2切换系统指数稳定状态观测器设计(47)

4.2.3离散时间切换信号采样机制(48)

4.3采用外部信号的时变延时估计(49)

4.3.1外部信号辨识性分析(49)

4.3.2基于高阶滑模的无偏延时估计(51)

4.4多模式异步切换控制器设计(53)

4.4.1延时的异步切换控制器分段设计(53)

4.4.2多模式异步切换过程稳定性分析(54)

4.5效果分析(60)

4.5.1时变延时的结果估计(60)

4.5.2多模式异步切换仿真测试(61)

参考文献(65)

5分数阶自主避障跟踪控制(67)

5.1问题描述(67)

5.2分数阶耦合滑模控制器设计(67)

5.2.1分数阶微积分理论(67)

5.2.2分数阶耦合滑模控制律设计(71)

5.2.3分数阶耦合滑模控制参数整定(73)

5.2.4与现有控制方法比较(74)

5.3基于斥力场避障跟踪控制器设计(74)

5.3.1基于斥力场的避障轨迹生成(74)

5.3.2稳定性和收敛性证明(76)

5.4效果分析(81)

参考文献(87)

6增益自调整鲁棒控制(89)

6.1问题描述(89)

6.2超螺旋耦合滑模控制器设计(89)

6.2.1考虑时变扰动的复合滑模面构建(89)

6.2.2变增益超螺旋滑模控制器设计(90)

6.2.3变增益超螺旋滑模控制器抗扰分析(96)

6.3非线性模型预测的控制器设计(97)

6.4分层控制器设计(98)

6.4.1集成控制器设计(98)

6.4.2控制参数选择(99)

6.5效果分析(100)

参考文献(103)

7扰动自补偿解耦控制(105)

7.1问题描述(105)

7.2动力学模型解耦(105)

7.2.1逆系统解耦的存在性条件(105)

7.2.2四舵轮移动机器人横向动力学模型逆系统解耦(107)

7.3多层模糊神经网络的扰动估计(109)

7.4自补偿扰动控制器设计(111)

7.4.1分数阶滑模面构建(111)

7.4.2超螺旋滑模控制器设计(111)

7.4.3扰动自补偿集成控制方案设计(113)

7.5效果分析(114)

7.5.1逆系统解耦测试(114)

7.5.2自补偿扰动抑制仿真测试(114)

参考文献(118)

8分布式力矩容错分配(120)

8.1问题描述(120)

8.2执行器驱动故障模型(120)

8.3基于模型预测控制的力矩分配(121)

8.4效果分析(124)

参考文献(129)

9停靠误差迭代自补偿(132)

9.1问题描述(132)

9.2手眼一体化位姿测量(132)

9.2.1目标姿态测量(134)

9.2.2相对姿态计算(135)

9.2.3停靠误差计算(136)

9.3停靠误差离线预处理(136)

9.4基于迭代学习的误差补偿(138)

9.5效果分析(140)

9.5.1停靠误差测量(141)

9.5.2停靠误差离线预处理(142)

9.5.3停靠误差迭代自补偿(144)

参考文献(148) 

四舵轮移动机器人具有良好的适应性和机动性。本书以工业场景下运行四舵轮移动机器人为研究对象，重点研究了动力学/运动学模型的多模式异步切换，提高了运行的灵活性；进一步，研究分数阶的自主避障跟踪方法，实现高动态场景运行的适应性；同时，在保障运行方面，通过参数自适应调整并对扰动进行估计和补偿，提高了运行的鲁棒性和稳定性；在设备检测方面，实现了车辆故障的自动检测，并设计了容缺的控制方法；*后，在集成的四舵轮移动机器人上，考虑了定位不确定性，设计了动态补偿的停靠方案，实现精准停靠，满足上下料要求。本书的定位为机械、自动化及相关专业的本科高年级以上水平读者易读懂、用得上的参考书,主要读者对象为在读研究生、高校教师及科研人员

谢远龙，博士，籍贯江西赣州，华中科技大学机械学院讲师、硕士生导师。2014年6月获得华中科技大学电气工程及其自动化专业学士学位。2018年12月获得华中科技大学机械电子工程专业博士学位。2017年11月至2018年4月受学校资助在英国利兹大学进行交流访问。2018年12月至2021年8月在本院国家企业信息化支撑软件工程技术研究中心开展博士后工作。主要研究方向包括智能控制、移动机器人、智能制造和自主无人系统等领域。近五年以来，在IEEE TIE, IEEE TIM, IEEE-ASME TMECH, RCIM, ACC, AIM, CCC等期刊/会议发表SCI/EI 论文90余篇（其中一作/通讯作者发表SCI论文25篇，SCIE高被引论文1篇，权威期刊封面论文1篇），合著专著1本，申请/授权发明专利45项。

智能制造是世界各大国发展先进制造技术与产业的战略性制高点，为我国从“制造大国”跨越成为“制造强国”提供了开道超车、跨越发展的重大历史机遇。移动机器人技术作为智能制造的重要赋能技术，能够降低生产成本、提高生产效率，广泛应用于人机协作、无人工厂乃至国防科技等领域，是智能制造业的重要支柱。其技术发展水平是一个国家工业自动化水平的重要标志，具有重要的战略意义。

目前，移动机器人普遍采用双驱差速轮和四驱麦轮（麦克纳姆轮）等驱动方式，其中双驱差速轮无法斜行，当物流停靠站点密集时需反复绕圈转向，运行速度低，效率低；而四驱麦轮与地面接触面积的非均匀变化易导致机器人振动，平稳性以及地面适应性差，难以满足智能制造场合高速移动、频繁启停的高性能运行需求。

有鉴于此，本书针对智能制造领域中的运载操作一体化运行需求，提出四轮独立驱动、四轮全转向的轮毂电机冗余驱动方式，其在灵活性、承载能力、环境适应性等方面具有明显优势。从四轮转角分配分析，移动机器人可配置在原点回转、斜行以及可调节式阿克曼等模式。各模式差异化动态特性，一方面可避开奇异位形与障碍物，提高机器人对复杂动态环境的适应性和运动灵活性；另一方面为多模式自适应切换提供可能，以期达到改善控制精度的目的。