基于能量优化的轮式移动机器人轨迹跟踪控制技术研究

In view of the fact that not only accurate tracking but also energy optimization are required for the Wheeled Mobile Robot (WMR) during its movement, and the reality that the research in tracking strategy designing, energy-consumption model building and energy-saving control scheme selection are mutual independence in the existing approaches, an unified control theory/method for WMR combined trajectory tracking and energy-optimization will be presented in this project. Specifically, the tracking characteristics of the non-holonomic WMR will be studied, the kinemics/dynamics and tracking-error models will be constructed firstly. Then energy consumption for each part of the WMR will be analyzed and the energy consumption models for the motor, computer processor and sensors will be developed. On this basis, the interactive mechanism between the kinemics/dynamics models and the energy consumption models will be explored and the interaction model will be built up. Finally, a kind of trajectory tracking control method based on energy-optimization will be proposed, making the output speed smooth as well as bounded, and realizing the high-accuracy and low-energy consumption control in the whole moving process. In a word, this research aims to realize the organic combination of moving control and energy optimization for the non-holonomic control system, and provide a new idea for unified control of tracking and energy-saving, which have significant scientific significance, theoretical value and application prospects.

鉴于目前非完整轮式移动机器人（WMR）在运动过程中既要求精确跟踪又要求能量优化的特点，而现有方法在跟踪策略设计、能耗模型建立及节能控制方案选择等方面研究相互独立的现状，拟提出一种轨迹跟踪和能量优化统一控制的理论与方法。具体而言，本项目将深入研究非完整 WMR 轨迹跟踪的特点，建立运动学/动力学模型及跟踪误差模型，设计运动学控制器；系统分析 WMR 各部分能耗，构建电机、计算机处理器及传感器能耗模型；探索运动学/动力学模型和能耗模型之间的内在关联机制，构建关联模型；设计能量优化控制器，提出一种基于能量优化的 WMR 轨迹跟踪控制理论与方法，使速度输出光滑、有界，实现整个运动过程的高精度、低能耗控制及系统全局稳定性。本研究将实现非完整控制系统运动控制和能量优化的有机结合，为实现跟踪/节能两者的统一控制开启新的研究思路，具有很好的科学意义、重要的理论价值和实际的应用前景。

本项目旨在针对轮式移动机器人在运动过程中既要求精确跟踪又要求能量优化的特点，而现有方法在跟踪策略设计、能耗模型建立及节能控制方案选择等方面研究相互独立的现状，提出了一种轨迹跟踪和能量优化统一控制的理论与方法。首先，开展了非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究和能耗研究，分别建立了其运动学/动力学跟踪误差模型和能耗模型，在此基础上深入研究了两者之间的内在关联机制，建立了关联模型；其次，开展了基于能量优化策略的轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究，基于上述关联模型，以能量损耗作为目标函数，并同时具有三个约束，设计了一种基于能量优化策略的轮式移动机器人轨迹跟踪控制器，实现轮式移动机器人轨迹跟踪过程中的能量最优化；再次，在基于能量优化策略的轮式移动机器人轨迹跟踪控制基础上，考虑轮式移动机器人系统运动开始时的速度跳变问题，研究了生物神经网络机理，建立了神经动力学数学模型，提出了基于能量优化策略和神经动力学的轨迹跟踪控制方法；最后，考虑到轮式移动机器人在行驶的不同阶段会出现不同问题，将整个控制过程分成行驶初期、行驶途中和行驶末期三个阶段，分别针对初、中和末期出现的速度跳变、能耗和镇定问题，采用三个不同的控制模块进行控制，并将控制模块有机结合，提出了一种分段控制方法，实现轮式移动机器人整个轨迹跟踪过程的平滑性、节能性、鲁棒性及全局稳定性。本研究有效实现了非完整控制系统运动控制和能量优化的有机结合，为实现跟踪/节能两者的统一控制开启了新的研究思路，并在能量优化控制的基础上将其进行了拓展研究，提出了分段控制理论，具有很好的科学意义、重要的理论价值和实际的应用前景。对该项目研究成果进行整理，在国内外高水平期刊发表学术论文6篇（其中SCI/EI检索期刊6篇），授权实用新型专利2项，另外还有2项发明专利正在实质审查阶段；此外，本项目培养硕士研究生2名。