课题研究背景

第1章 绪论

摘要：本章系统介绍了轮式移动机器人的研究背景，对轮式移动机器人的发 展历程以及研究现状做了系统的调研，对不同轮数的移动机器人的转向结构和驱 动方式进行了阐述，并就不同的机器人的建模方式及控制方法等进行了比较和总 结，介绍了本文的四轮移动机器人的研究内容，并对课题的研究目标和意义进行 了说明。

1.1 课题研究背景

移动机器人是一类能够通过传感系统感知自身状态和环境状态，实现在复杂 环境中面向目标的自主移动，从而完成特定作业功能的机器人系统。其主要研究 内容是动态环境下机器人系统的感知和实时控制问题，涉及到轨迹规划与导航、

目标识别与定位、多传感器信息处理与融合以及系统集成等多项关键技术。轮式 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，它的研究始于 20 世纪 60 年代，以 Standford 大学机器人研究中心（SRI）研制的自主移动轮式机器人 Shakey 为标

志 ^[1]，80 年代以后，随着计算机技术、机器人技术的提升，轮式移动机器人呈

现出爆炸式的发展。

相对于其他类型机器人而言，轮式移动机器人由于自重轻、承载大、机构简 单、驱动和控制相对方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高等优点，在各种 场合得到了广泛应用。如果将各种传感器应用于轮式移动机器人之上，使它具有 对未知复杂环境进行探索、学习、监控与自主决策等职能分析的功能，那么轮式 移动机器人可以代替人类完成各种危险的任务，例如高压变电站巡检、核电站的 环境监测与事故处理、军事侦察与攻击等，同时可以使人类的日常生活变得更为 便利，如在家政服务、助老助残、医药搬运等场合发挥日益重要的作用。鉴于轮 式移动机器人巨大的潜在应用价值，一些相关技术引起众多学者的关注。

轮式机器人的研究主要可以归结为机构、动力和运动控制三个重点问题。

轮式机器人根据车轮个数、车轮布置形式、转向结构等不同其自由度可以有 很多变化，此外根据驱动电机的类型和数量，可以有不同的驱动方式，使得轮式 移动机器人对地面环境的适应能力以及动力学特性有着很大的差异。

四轮移动机器人的转向结构主要有如下 5 种 ^[2]：

（1）艾克曼转向（图 a）

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（2）滑动转向（图 b）

（3）轴-关节式转向（图 c）

（4）全轮转向（图 d）

（5）车体-关节式转向（图 e）

图 1.1 四轮移动机器人转向结构

艾克曼转向结构是汽车常用的转向机构，使用这种转向方式的汽车中有前轮 转向+前轮驱动和前轮转向+后轮驱动两种运动方式。西班牙塞维利亚大学研制的 ROMEO-4R 机器人^[3]、澳大利亚卧龙岗大学研制的 Titan 机器人^[4]属于艾克曼转 向机构，采用后轮驱动。

滑动转向结构机器人通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向甚至原 位转向，所以又称为差速转向。滑动转向的轮式移动机器人的结构相对简单，不 需要专门的转向机构，具有高效性和经济性。美国佛罗里达农工大学研制的 ATRV-Jr 机器人^[5]及加拿大高等综合理工大学研制的 Pioneer3-AT ^[6]机器人，左边 两个车轮和右边两个车轮分别用一个电机控制。但是这种差速转向的机器人由于 本身机械结构原因，相比其他类型机器人打滑对系统运动状态影响更为显著，甚 至是不可忽视的因素，因此运动学及动力学分析较为复杂。

由于采用轴-关节式转向结构的机器人在转向时车轮转动幅度较大，这种转 向方式一般不常采用。

轮式全方位移动机器人与其他结构机器人相比，能够在保持车体姿态不变的 条件下沿任意方向移动，这种特性使得该种轮式移动机器人的路径规划、轨迹跟 踪等问题相对简单，使机器人即使在狭小的工作环境中也能很好地完成任务。

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Mobile Robots Inc 公司开发的室内外清扫机器人 Seekur 便采用了四轮全方位转 向与驱动机构，采用 8 个电机分别控制 4 个轮子的转向和驱动，这种机构具有转 向半径小，转向稳定容易等特点。相应地，该类机器人结构较为复杂，成本也较 高。

图 1.2 Mobile Robots 公司开发的机器人

车体-关节式转向机器人，具有转弯半径小，转向灵活的特点，但其转向轨 迹难以进行准确控制，并且在行驶时容易出现前轮和后轮轨迹不一致，需要用到 其它辅助装置来约束后面车体的自由度。

机器人的结构和动力方面的不同，致使在运动学和动力学上具有不同的特性。

在运动学方面，轮式移动机器人常常受到非完整约束的影响；在动力学方面，轮 式机器人与地面构成的系统中，机器人除了受到驱动扭矩的作用，还和地面之间 存在复杂的相互作用力，并且实际情况中轮子与地面往往会发生滑动致使受力状 态不断改变，因此有必要对车轮运动状态及系统的动力学进行分析。实际中，可 以通过对机器人系统建立相应的模型，用来描述其运动学和动力学特性。

因此对轮式机器人进行运动控制研究的核心是针对路面环境，对每只车轮上 的电机的输出转矩进行控制，使机器人按照给定速度信号下到达或跟踪空间某一 点。运动学控制方面由于非完整约束等原因使控制难度较大，在运动学的控制律 设计方面要求具有较强的鲁棒性；动力学方面，小的滑动会影响移动机器人的轨 迹跟踪精度，大的滑动则可能导致系统在运动中失稳，所以轮式移动机器人表现 为一种多变量、强耦合、参数时变的非线性对象，难以对其进行高性能轨迹跟踪 的控制。另外由于测量和建模不精确，加上参数时变和负载扰动等因素的影响，

很难获得精确完备的系统模型，因此轮式移动机器人的轨迹跟踪控制性能的提高 受到很大挑战。

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鉴于以上原因，对机器人系统的运动学建模、动力学建模是研究系统性能的 基础，对轮式移动机器人进行打滑建模以及对包含不确定因素轮式移动机器人控 制系统的研究与探索具有非常重要的理论意义和极其广泛的应用前景。