兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 166-183.doi: 10.12382/bgxb.2023.0533
收稿日期:
2023-05-29
上线日期:
2024-01-30
通讯作者:
基金资助:
LIU Jiangtao1,2, ZHOU Lelai1,2,*(), LI Yibin1,2
Received:
2023-05-29
Online:
2024-01-30
摘要:
为研究六轮移动机器人在复杂地形的运动控制方法,针对六轮独立驱动与转向机器人复杂地形轨迹跟踪问题,提出一种预测控制和动态补偿的控制方法。基于非完整约束的线性六轮移动机器人运动学模型,以模型预测控制算法为基础,引入比例-积分-微分补偿控制器,抑制动态滞后引起的跟踪误差,设计速度与转向角动态反馈补偿,以应对地形扰动对轨迹跟踪的影响。分析机器人运动过程中障碍物的避碰问题,设计可求解避障轨迹的避障规划器,通过轨迹跟踪系统对局部避障轨迹进行跟踪控制,实现机器人的轨迹跟踪和自动避碰。对轨迹跟踪算法和避障算法进行仿真实验。实验结果表明:在典型工况下,机器人可完成凹形斜坡、凸形斜坡和凹凸地形正弦型轨迹跟踪控制和静态与动态障碍物避碰,验证了新方法的有效性。
中图分类号:
刘江涛, 周乐来, 李贻斌. 复杂地形六轮独立驱动与转向机器人轨迹跟踪与避障控制[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 166-183.
LIU Jiangtao, ZHOU Lelai, LI Yibin. Trajectory Tracking and Obstacle Avoidance Control of Six-wheel Independent Drive and Steering Robot in Complex Terrain[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(1): 166-183.
参数 | 取值 |
---|---|
机器人尺寸(长×宽×高)/mm | 700×500×550 |
机器人整机质量/kg | 212 |
轮胎尺寸/mm | 宽80,直径215 |
驱动电机最大扭矩/(N·m) | 500 |
转向电机最大扭矩/(N·m) | 500 |
表1 机器人参数
Table 1 Robot parameters
参数 | 取值 |
---|---|
机器人尺寸(长×宽×高)/mm | 700×500×550 |
机器人整机质量/kg | 212 |
轮胎尺寸/mm | 宽80,直径215 |
驱动电机最大扭矩/(N·m) | 500 |
转向电机最大扭矩/(N·m) | 500 |
控制器类型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
PID控制器 | 系数 | kp:110, ki:0.1, kd:0.30 |
采样时间/ms | 10 | |
Pure Pursuit | 前视距离系数 | 0.15 |
控制器 | 前视距离/m | 1.2 |
采样时间/ms | 10 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制器 | MPC控制步长 | 30 |
MPC预测步长 | 60 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制步长 | 30 | |
MPC预测步长 | 60 | |
本文控制器 | PID采样周期/ms | 10 |
Yaw角放大倍数 | 1.13~1.25 | |
PID常数项比例系数 | kp:0.25, ki:0.05, kd:0.10 | |
PID增益项比例系数 | λ1:5, λ2:1.5, λ3:2 |
表2 凹形斜坡实验参数
Table 2 Concave slope experimental parameters
控制器类型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
PID控制器 | 系数 | kp:110, ki:0.1, kd:0.30 |
采样时间/ms | 10 | |
Pure Pursuit | 前视距离系数 | 0.15 |
控制器 | 前视距离/m | 1.2 |
采样时间/ms | 10 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制器 | MPC控制步长 | 30 |
MPC预测步长 | 60 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制步长 | 30 | |
MPC预测步长 | 60 | |
本文控制器 | PID采样周期/ms | 10 |
Yaw角放大倍数 | 1.13~1.25 | |
PID常数项比例系数 | kp:0.25, ki:0.05, kd:0.10 | |
PID增益项比例系数 | λ1:5, λ2:1.5, λ3:2 |
控制器类型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
PID控制器 | 系数 | kp:110, ki:0.1, kd:0.30 |
采样时间/ms | 10 | |
Pure Pursuit | 前视距离系数 | 0.15 |
控制器 | 前视距离/m | 1.2 |
采样时间/ms | 10 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制器 | MPC控制步长 | 30 |
MPC预测步长 | 60 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制步长 | 30 | |
MPC预测步长 | 60 | |
本文控制器 | PID采样周期/ms | 10 |
Yaw角放大倍数 | 1.13~1.35 | |
PID常数项比例系数 | kp:0.30, ki:0.10, kd:0.15 | |
PID增益项比例系数 | λ1:5.5, λ2:1.5, λ3:2.5 |
表3 凸形斜坡实验参数
Table 3 Convex ramp experimental parameters
控制器类型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
PID控制器 | 系数 | kp:110, ki:0.1, kd:0.30 |
采样时间/ms | 10 | |
Pure Pursuit | 前视距离系数 | 0.15 |
控制器 | 前视距离/m | 1.2 |
采样时间/ms | 10 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制器 | MPC控制步长 | 30 |
MPC预测步长 | 60 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制步长 | 30 | |
MPC预测步长 | 60 | |
本文控制器 | PID采样周期/ms | 10 |
Yaw角放大倍数 | 1.13~1.35 | |
PID常数项比例系数 | kp:0.30, ki:0.10, kd:0.15 | |
PID增益项比例系数 | λ1:5.5, λ2:1.5, λ3:2.5 |
控制器类型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
PID控制器 | 系数 | kp:110, ki:0.1, kd:0.30 |
采样时间/ms | 10 | |
Pure Pursuit | 前视距离系数 | 0.15 |
控制器 | 前视距离/m | 1.2 |
采样时间/ms | 10 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制器 | MPC控制步长 | 30 |
MPC预测步长 | 60 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制步长 | 30 | |
MPC预测步长 | 60 | |
本文控制器 | PID采样周期/ms | 10 |
Yaw角放大倍数 | 1.2~1.4 | |
PID常数项比例系数 | kp:0.32, ki:0.13, kd:0.16 | |
PID增益项比例系数 | λ1:5.8, λ2:1.6, λ3:2.8 |
表4 凹凸路面实验参数
Table 4 Experimental parameters of uneven and convex roads
控制器类型 | 参数 | 数值 |
---|---|---|
PID控制器 | 系数 | kp:110, ki:0.1, kd:0.30 |
采样时间/ms | 10 | |
Pure Pursuit | 前视距离系数 | 0.15 |
控制器 | 前视距离/m | 1.2 |
采样时间/ms | 10 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制器 | MPC控制步长 | 30 |
MPC预测步长 | 60 | |
MPC采样周期/ms | 50 | |
MPC控制步长 | 30 | |
MPC预测步长 | 60 | |
本文控制器 | PID采样周期/ms | 10 |
Yaw角放大倍数 | 1.2~1.4 | |
PID常数项比例系数 | kp:0.32, ki:0.13, kd:0.16 | |
PID增益项比例系数 | λ1:5.8, λ2:1.6, λ3:2.8 |
参数 | 障碍物A | 障碍物B |
---|---|---|
质心初始坐标/m | (0.8,3.2) | (5.4,3.2) |
长×宽×高/m | 0.3×0.3×0.5 | 0.3×0.3×0.5 |
质量/kg | 50 | 50 |
移动速度/(m·s-1) | 0 | 0.14~0.15 |
表5 障碍物信息
Table 5 Obstacle information
参数 | 障碍物A | 障碍物B |
---|---|---|
质心初始坐标/m | (0.8,3.2) | (5.4,3.2) |
长×宽×高/m | 0.3×0.3×0.5 | 0.3×0.3×0.5 |
质量/kg | 50 | 50 |
移动速度/(m·s-1) | 0 | 0.14~0.15 |
图28 DWA避障方法与本文避障方法机器人避障轨迹对比
Fig.28 Comparison of obstacle avoidance trajectories of robot by using the dynamic window method and the obstacle avoidance method in the paper
图29 DWA避障方法和本文避障方法机器人与参考轨迹距离偏差表示
Fig.29 Representation of distance deviation between the robot and the reference trajectories by the dynamic window method and the obstacle avoidance method in the paper
图30 DWA避障方法和本文避障方法机器人质心与障碍物质心距离表示
Fig.30 The distance between the robot’s center of mass and the center of the obstacle’s center of mass expressed by the dynamic window method and the obstacle avoidance method in the paper
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doi: 10.1109/LSP.2016. URL |
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