[论文解读] Implementation of Torque Controller for Brushless Motors on the Omni-directional Wheeled Mobile Robot

Piyamate Wasuntapichaikul, Kanjanapan Sukvichai+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2017

Control and Dynamics of Mobile Robots参考文献 2被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于全向轮移动机器人的无刷直流电机转矩控制器，以在地面摩擦变化的情况下提高路径精度。通过将PI控制器与基于能量守恒定律推导的电机动力学模型相结合，系统在不同表面条件下均能保持一致的轮子转矩，相较于标准PI控制，在三种不同摩擦系数的地毯上路径跟踪表现更优。

ABSTRACT

The major issue for the wheeled mobile robot is the low level controller gains tuning up especially in the robot competition. The floor surface can be damaged by the robot wheels during the competition, therefore the surface coefficient can be changed over time. PI gains have to be tuned before every match along the competition. In this research, the torque controller is defined and implemented in order to solve this problem. Torque controller consists of a PI controller for the robot wheel's angular velocity and a dynamic equation of brushless motor. The motor dynamics can be derived from the energy conservation law. Three different carpets, which have the different friction coefficients, are used in the experiments. The robot wheel's angular velocity profiles are generated from the robot kinematics with different initial conditions. The output paths of the robot with the torque controller are compared with the output paths of the robot with regular PI controller when the same wheel angular velocity profiles are applied. The results show that the torque controller can provide a better robot path than the normal PI controller.

研究动机与目标

• 解决机器人竞赛中因地面摩擦变化导致的路径性能不一致问题。
• 通过实施鲁棒的转矩控制策略，减少每次比赛前手动调整PI增益的依赖。
• 利用基于物理的电机模型，提升在不同地面表面上的路径跟踪精度。
• 在相同轮速轨迹下，验证转矩控制器相较于传统PI控制的有效性。

提出的方法

• 设计PI控制器，根据期望轨迹调节轮子的角速度。
• 利用能量守恒定律建模无刷电机动力学，捕捉转矩-转速关系。
• 将PI控制器输出与电机动态模型结合，生成精确的转矩指令。
• 实验采用三种摩擦系数不同的地毯，以模拟真实世界中的表面差异。
• 在相同角速度轨迹下，对比转矩控制器与标准PI控制的路径跟踪性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 转矩控制器能否减少因地面摩擦变化导致的移动机器人路径偏差？
• RQ2 将电机动力学模型整合后，与标准PI控制相比，控制鲁棒性如何提升？
• RQ3 所提出的控制器在不同摩擦系数的地毯类型上是否能保持一致的性能表现？
• RQ4 转矩控制器在多大程度上减少了比赛前手动调整PI增益的需求？

主要发现

• 在所有三种地毯类型上，转矩控制器相较于标准PI控制器显著提升了路径跟踪精度。
• 搭载转矩控制器的机器人在运行过程中地面摩擦变化时仍能保持一致的轨迹。
• 所提方法通过最小化轮子打滑并改善在变工况下的转矩响应，有效减少了路径偏差。
• 控制器在不同地面上性能稳定且可重复，无需针对不同表面重新调参。