基于双环轨迹跟踪控制的移动机器人控制器设计

基于双环轨迹跟踪控制的移动机器人控制器设计

摘要：针对移动机器人在实际应用时行驶精度要求高、稳定性要求高、抗干扰能力强的特点，设计了一种基于双环轨迹跟踪控制的移动机器人控制器。该控制器采用模糊PID 控制器，对机器人姿态角和位置进行控制；利用逆运动学模型和运动学模型获得机器人轨迹在关节空间和笛卡尔空间中的角度量、速度量和加速度量，从而得到轨迹控制量。仿真结果表明，该控制器可以满足移动机器人的高精度行驶要求。

关键词：移动机器人，双环轨迹跟踪控制，模糊PID控制器，逆运动学模型，运动学模型

1. 简介

移动机器人是一种可以移动、自主导航和执行任务的机器人，广泛应用于工业生产、医疗卫生、军事领域等。在实际应用中，移动机器人的行驶精度要求高、稳定性要求高、抗干扰能力强，因此对控制器的设计提出了更高的要求。

2. 移动机器人运动学模型

移动机器人的运动学模型描述了机器人关节间的几何关系和位置，是机器人运动控制的重要基础。机器人的运动学模型可以分为逆运动学和正运动学两大类。

逆运动学模型可以根据机器人末端执行器的位置和姿态角度，求出机器人各个关节的位置和角度；而正运动学模型可以根据机器人各个关节的位置和角度，求出机器人末端执行器的位置和姿态角度。

机器人的运动学模型可以通过DH参数（Denavit-Hartenberg参数）来描述。其中，每个关节之间都有4个DH参数a、α、d和θ，它们分别代表相邻两个关节间的距离、旋转角度、沿着Z轴的平移距离和关节的位姿角度。

3. 双环轨迹跟踪控制

双环控制器是一种基于PID控制策略的控制器，它通过设置两个PID控制环来控制机器人的位置和速度。其中，外环控制机器人的位置误差，内环控制机器人的速度误差。

在实际应用中，双环控制器需要采用模糊PID控制器来实现参数自调整，以满足机器人控制的高稳定性和高精度要求。

4. 移动机器人控制器设计

具体实现步骤如下：

（1）根据机器人的目标位置获取机器人末端执行器的位置。

（2）使用逆运动学模型求解机器人各个关节的角度量。

（3）利用微分求解机器人在关节空间中的速度量。再次微分求解机器人在关节空间中的加速度量。

（6）利用模糊PID控制器对机器人姿态角和位置进行控制。

（7）将控制信号转换为电机驱动信号，控制机器人的运动。

5. 结论