轮式移动机器人零半径转向过程pid控制解析设计与实现[编号

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1、轮式移动机器人零半径转向过程PID控制解析设计与实现张清华秦世引万九卿北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院100083e-mail：zhangqh0528@126.com摘要：在轮式滑动转向移动机器人（WSMR）的导航研究中，转向控制是一个重要的环节。本文首先对轮式滑动转向移动机器人的零半径转向进行分析，建立了零半径转向控制的数学模型。然后针对此数学模型，利用解析法设计出可以达到特定控制性能的PID控制器，并进行了数字仿真，最后把该算法应用在实际的机器人转向控制中，结果表明控制效果良好，达到了预期的设计指标。关键词：轮式移动机器人滑动转向PID控制算法解析法设计Analy

2、ticDesignandImplementationofPIDControllerfortheZero-radiusSteeringofaWheeledSkid-steerMobileRobotAbstract：Thesteeringcontrolissignificantintheresearchonthenavigationofawheeledskid-steerrobot.Inthispaper,thezero-radiussteeringmodeofawheeledskid-steerrobotisanalyzedanditsmodelisestablished.Th

3、enthePIDcontrollerwithspecificperformanceisdesignedbymeansofanalyticmethodandthecorrespondingdigitalsimulationiscarriedout.Intheend,thecontrolalgorithmisimplementedonseveralwheeledskid-steerrobotsrespectively.Experimentresultsdemonstratethattherealcontroleffectissatisfied，whichachievesthere

4、quiredperformance.Keywords：wheeledmobilerobotskid-steerPIDcontrolanalyticdesign1.引言轮式滑动转向移动机器人（WSMR）结构简单，不需要专门的转向机构,通过改变两侧车轮速度实现不同转弯半径——滑动转向(skid-steer)又称为差速转向——当两侧车轮速度大小相等、方向相反时可实现零半径转向,所以在运行空间受到限制的环境中得到广泛应用[1,2,3]。轮式移动机器人的运动控制技术包括轨迹控制、伺服控制两大基本技术。其中转向控制属于伺服控制，又直接为轨迹控制的实现提供了必备的基础，是极其重要的环节[4

5、]。在伺服控制领域，PID控制器是最早发展起来的控制策略之一，其技术最成熟、应用最广泛，而且其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统[5,6]。由于零半径转向可通过分析建立比较精确的数学模型，所以在这里选用经典而又在工程上常用的PID控制算法。本文针对轮式滑动转向移动机器人的零半径转向模态进行电气与动力学分析，建立了此模态下的数学模型，并用解析法设计出符合控制性能的PID控制器，最后把该算法应用在实际的机器人转向控制中。2.问题陈述与被控对象建模2.1问题陈述轮式滑动转向移动机器人的零半径转向控制就是控制轮式移动机器人在原地转任意的角度，其

6、中。本文中使用的机器人共有左右两个驱动轮，前面一个起支撑导向作用的万向轮。要想控制机器人转向，实际上就是控制两个驱动轮转过方向相反、距离相同的弧线，此弧线的长度除以两轮间距离的一半就是机器人在原地转过的角度。至此，问题转变成如何控制左右电机驱动两轮转过方向相反、距离相同的弧线。图1零半径转向示意图被控对象及其传感器部分包括：直流伺服电机、光电编码器、减速器，要求设计一数字PID控制器，使其能够被控对象能够随动地跟踪由路径导航层产生的转向角度目标值，最终达到机器人路径导航的目的。需要达到的性能指标为：超调量（），调节时间（），稳态误差（）。2.2被控对象建模：机器人的左右两个轮

7、子分别由两个永磁式直流电机经减速机构后驱动，其单个电机的扭矩可表示为：（1）其中为电枢电流，定义为电机常数。电枢电流与输入电压之间的关系为：（2）（2）称为电机的电气回路方程。其中，是与电机速度成正比的反向感应电动势，为扼流圈的电感值，为电枢固有的电感值。反向感应电动势与电机的角速度有如下关系：（3）其中，为速度常数。于是由（2）、（3）两式得到电枢电流为：（4）根据工程力学分析可建立电机的机械回路方程如下：（5）其中，为粘滞摩擦系数，为扰动力矩，为减速机构中由大齿轮对电机上小齿轮作用力而形成的反向扭矩