第 5 章 四驱轮式移动机器人控制算法研究
5.2 改进的机器人控制策略的仿真及实验
原控制方法中，由于控制点在使同侧车轮速度相同，忽略了在车轮运动过程 中，如果电流分配不合理，导致作用力“打架”的状况。而我们从前章动力学仿 真可知，电机控制力矩不合适，导致轮胎与地面的受力情况不同，还会造成车轮 不同程度的纵向和侧向打滑，从而影响车轮的运动速度以及车体的速度。
针对以上问题，重新设计了控制策略，改进后的控制系统框图如图所示。
图 5.8 改进的同侧协调控制策略
该策略舍弃了原来的四个控制器分别控制四个车轮的控制方法，取而代之的 是，分别统一用控制器控制左侧车轮和右侧车轮，以同侧车轮的最小速度作为反 馈信号。这样就避免了控制过程中只考虑速度不考虑约束力的问题。此时车轮的
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力矩分配关系为。
1 2 l 3 4 r
( 5.4 )采用该策略进行控制仿真，结果如图 5.9 所示，与图 5.7 比较，车体在回转 过程中，速度波动明显减小。
图 5.9 协调速度控制仿真车体转动速度
基于动力学模型的控制实验结果如下图所示。
图 5.10 单独速度 PID 控制实验输入电压变化
输入电压（V）输入电压（V） 输入电压（V）输入电压（V）
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图 5.11 单独速度 PID 控制实验车轮转速
图 5.12 协调速度控制实验输入电压变化
车轮转速（rad/s） 车轮转速（rad/s） 车轮转速（rad/s） 车轮转速（rad/s）
输入电压（V）输入电压（V） 输入电压（V）输入电压（V）
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图 5.13 协调速度控制实验车轮转速
实验表明，该控制策略可以有效协调车轮力矩分配，减车轮的“打架”问题。
车体转速对比如图所示。
图 5.14 两种控制策略对比实验结果
可以看出，协调控制方法能够有效减少车体抖动。如图 5.7 所示，当实验人 员站在车上，使车原地回转时，已经无明显抖动现象。
车轮转速（rad/s） 车轮转速（rad/s） 车轮转速（rad/s） 车轮转速（rad/s）
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图 5.15 采用协调控制策略进行控制实验
这种方法缺点是车轮速度不能很好保证，但是配合模型补偿算法会达到更好 的控制效果。这种控制策略与普通的同侧一个电机控制的区别在于，一方面考虑 了同侧车轮的速度反馈，另一方面考虑了力矩分配在运动控制中的作用。因此能 兼顾到运动学和动力学特性，解决了实际问题，有更好的工业应用价值。
5.3 本章小结
本章主要介绍了两种四驱轮式移动机器人的控制策略，设计了 PID 控制算法 对机器人进行了速度控制，从仿真和实验比较了控制效果。
首先介绍了传统的四个控制器分别控制四个电机的控制方法，分析了基于该 方法的运动学差分 PID 控制实验中存在的问题。实验表明，该方法使得机器人在 直线或者转弯运动过程中不仅速度存在波动，而且控制电流也出现很大波动。这 一方面造成了能量内耗，另一方面使得车身不断抖动，影响控制精度及机器人运 动的稳定性。
其次采用了牛顿动力学模型对基于电机动力学模型的 PID 控制算法进行了 仿真，分析了车轮抖动及内耗等问题可能存在的原因，并从控制策略方便寻求解 决办法。
接着设计了一套改进的控制策略。该策略采用两个 PID 控制器分别控制同侧 车轮，结合力矩分配的方法，仿真和实验均表明，该控制策略使得机器人在运动 过程中抖动和内耗问题明显减少，达到了控制目的。
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