[论文解读] A robust trajectory tracking controller for four-wheel skid-steering mobile robots

Jae‐Yun Jun, Minh‐Duc Hua+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2014

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 7被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于反步法的四轮滑移转向移动机器人轨迹跟踪控制器，该控制器在无需非零速度或加速度测量的情况下确保李雅普诺夫稳定性，克服了先前动态反馈线性化方法的关键局限。该控制器在存在传感器噪声和控制时延的情况下表现出鲁棒性能，成功跟踪了反馈线性化方法失效的复杂曲线轨迹。

ABSTRACT

A novel dynamic model-based trajectory tracking control law is proposed for a four-wheel differentially driven mobile robot using a backstepping technique that guarantees the Lyapunov stability. The present work improves the work of Caracciolo et al. (ICRA 1999), a dynamic feedback linearization approach, by reducing the number of required assumptions and the number of state terms. We also thoroughly investigate on a gain tuning procedure which is often overlooked for nonlinear controllers. Finally, the performance of the proposed controller is compared with the dynamic feedback linearization approach via simulation results which indicate that our controller is robust even in the presence of measurement noise and control time delay.

研究动机与目标

• 解决现有动态反馈线性化控制器需要非零速度和加速度测量的局限性。
• 开发一种可保证四轮滑移转向机器人李雅普诺夫稳定性的轨迹跟踪控制器。
• 提高轨迹跟踪在传感器噪声和控制时延下的鲁棒性。
• 研究并优化非线性系统中的控制器增益调节。
• 在具有变化曲率的复杂轨迹（如八字形利萨茹曲线）上验证控制器性能。

提出的方法

• 基于动力学模型，采用反步法设计控制器以确保李雅普诺夫稳定性。
• 控制器在由完整机器人动力学推导出的降阶系统上运行，结合了操作性非完整约束以建模瞬时旋转中心（ICR）。
• 控制律仅依赖于位置和速度状态，无需加速度测量。
• 开发并评估了一套系统化的增益调节程序，以增强控制器鲁棒性。
• 仿真实验包括添加多变量白高斯噪声以及10 ms零阶保持控制时延，以模拟真实世界条件。
• 在具有连续变化曲率的八字形利萨茹轨迹上对控制器进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于反步法的控制器是否能在无需非零速度或加速度测量的情况下，实现四轮滑移转向机器人的李雅普诺夫稳定性？
• RQ2 与动态反馈线性化方法相比，所提出的控制器在传感器噪声和控制时延下的表现如何？
• RQ3 控制器增益调节对非线性系统中跟踪性能和鲁棒性的影响是什么？
• RQ4 尽管有稳定性保证，为何跟踪误差无法实现渐近收敛？
• RQ5 控制器能否稳健地跟踪曲率快速变化的轨迹，如八字形利萨茹曲线？

主要发现

• 所提出的反步控制器在存在传感器噪声和10 ms控制时延的情况下，成功跟踪了八字形利萨茹轨迹，而反馈线性化控制器在相同条件下失效。
• 控制器在无需非零速度或加速度测量的情况下保持稳定性和性能，克服了先前方法的关键局限。
• 添加白高斯噪声（σx=0.02 m, σẋ=0.08 m/s等）并未降低跟踪性能，表明对测量噪声具有鲁棒性。
• 由于对ICR位置施加了过度约束的等式约束，误差振荡持续存在，提示将该约束放松为不等式可能有助于改善渐近收敛性。
• 增益调节程序被证明对鲁棒性至关重要，其深入研究是本工作的重要贡献。
• 仿真结果证实，所提出的控制器在现实干扰下的鲁棒性方面优于反馈线性化方法。