基于ADRC的井下機(jī)器人運(yùn)動控制技術(shù)
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移動機(jī)器系統(tǒng)是復(fù)雜的動力學(xué)系統(tǒng)，具有高度非線性和強(qiáng)耦合的特點(diǎn)。由于測量和建模不精確，加上負(fù)載的變化和外界干擾，很難獲得精確的系統(tǒng)模型，因此，精確模型的反饋控制率在對移動機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中存在局限性，常用的控制方法主要有自適應(yīng)控制、滑模控制、魯棒控制、預(yù)測控制、最優(yōu)控制、智能控制等。
履帶式移動機(jī)器人是一種具有典型的非完整約束的移動機(jī)器人平臺，相比于輪式移動機(jī)器人平臺來說，受到更多不確定因素的影響。其行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械誤差、自身質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量、路面材質(zhì)和姿態(tài)情況、履帶與路面打滑情況等諸多因素都會對機(jī)器人的動力學(xué)特性產(chǎn)生影響。這些都為移動機(jī)器人的控制帶來了困難。
這種驅(qū)動方式?jīng)Q定了在建立機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型時(shí)，必須對履帶與地面的相對滑動建模。在機(jī)器人定位時(shí)要結(jié)合車輪轉(zhuǎn)速與其它傳感器所測量得到的如角速度、加速度等信息，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合方法來進(jìn)行組合定位。在進(jìn)行運(yùn)動控制時(shí)，要分析車輪打滑造成的對機(jī)器人動力學(xué)模型的影響。輪式滑動轉(zhuǎn)向移動機(jī)器人可以通過特技運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)高速精確轉(zhuǎn)向。輪式滑動轉(zhuǎn)向移動機(jī)器的四輪驅(qū)動模式可以使得通過運(yùn)動控制實(shí)現(xiàn)特技動作，完成一些利用常規(guī)技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動軌跡。
DEEC履帶式井下搜救機(jī)器人工作的環(huán)境位于煤礦井下，工作環(huán)境十分惡劣，具有高度的復(fù)雜性和不確定性，機(jī)器人行走的路面材質(zhì)、井下的道路狀況都有高度的復(fù)雜多變性。
2自抗擾控制技術(shù)
自抗擾控制器的發(fā)展始于一篇討論如何統(tǒng)一處理線性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和反饋系統(tǒng)計(jì)算問題的論文中的一個(gè)重要結(jié)論：一個(gè)系統(tǒng)的積分器串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。
七十年代以來，中科院系統(tǒng)所的韓京清研究員經(jīng)過對線性系統(tǒng)理論的深入研究，發(fā)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)的積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)不僅是線性系統(tǒng)在線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，也是一類非線性系統(tǒng)在非線性反饋?zhàn)儞Q下的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。同樣，對一類自由非線性系統(tǒng)，也可以設(shè)計(jì)其觀測器，使其在非線性觀測變換下的標(biāo)準(zhǔn)形為積分串聯(lián)型。
八十年代后期，韓京清研究員進(jìn)一步探討了線性系統(tǒng)與非線性系統(tǒng)的關(guān)系。他指出人們頭腦中的線性和非線性的概念大都來自于沒有控制輸入的經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)。在經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)中，人們關(guān)心的是描述和解釋軌線分布的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對沒有輸入、輸出的封閉系統(tǒng)來說，線性系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)具有完全不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩者不能任意轉(zhuǎn)化。然而控制系統(tǒng)具有經(jīng)典力學(xué)系統(tǒng)所沒有的新結(jié)構(gòu)—控制輸入和反饋，是一個(gè)開放系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)中的反饋?zhàn)饔媚軌蚱茐脑到y(tǒng)中的大部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，又能建立起全新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在狀態(tài)反饋?zhàn)饔弥?，控制系統(tǒng)中不變的性質(zhì)幾乎只剩下幾個(gè)積分器和聯(lián)結(jié)它們的信息通道，此外的其他性質(zhì)幾乎可以隨意設(shè)置。因此，控制系統(tǒng)中的反饋?zhàn)饔么蚱屏私?jīng)典動力系統(tǒng)意義下的線性和非線性的界限，反饋能夠把線性轉(zhuǎn)化為非線性，也可以把許多非線性轉(zhuǎn)化為線性。從反饋控制的角度看，不應(yīng)該再按經(jīng)典意義把控制系統(tǒng)分成線性和非線性系統(tǒng)，對能控的線性系統(tǒng)可以用狀態(tài)反饋設(shè)置一些非線性特性。以此為基礎(chǔ)，韓京清研究員提出了控制理論中更為基本的問題，即控制理論的發(fā)展到底是走模型論還是控制論的道路。他指出現(xiàn)代控制理論時(shí)期是控制理論發(fā)展史中的“模型論”時(shí)期，無論是線性系統(tǒng)還是非線性系統(tǒng)，無論是狀態(tài)空間法還是頻域法，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型已成為分析與設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)或建模與辨識的歸宿。然而依靠模型建立控制律的方法，在控制工程中遇到了很大的挑戰(zhàn)，魯棒性是首當(dāng)其沖的大問題。而經(jīng)典調(diào)節(jié)理論中的基本思想是不完全依靠系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，而是靠期望軌跡與實(shí)際軌跡的誤差的大小和方向來實(shí)施，是一種基于過程誤差來抑制或消除誤差的方法來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。他還指出尋求和利用某些具有典型特性的非線性環(huán)節(jié)是值得重視的問題，這正是自抗擾控制器產(chǎn)生的思想來源。
九十年代初期，韓京清研究員致力于一些特殊的非線性功能單元的開發(fā)，成功研究開發(fā)出非線性跟蹤微分器。他認(rèn)為不管對象是否線性，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想應(yīng)該從極點(diǎn)配置等線性配置觀念轉(zhuǎn)移到非線性配置上，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)姆蔷€性配置能顯著改善系統(tǒng)的品質(zhì)。據(jù)此，對模型已知的對象，用反饋效應(yīng)的觀點(diǎn)，給出了建立非線性狀態(tài)觀測器的方法，并用這種狀態(tài)觀測器和非線性配置方法實(shí)現(xiàn)了非線性系統(tǒng)的狀態(tài)反饋控制。數(shù)值仿真表明，這種非線性狀態(tài)觀測器跟蹤能力很強(qiáng)，控制系統(tǒng)的非線性配置明顯改善閉環(huán)品質(zhì)。這種思想亦可推廣到對象模型未知或者結(jié)構(gòu)已知、參數(shù)未知的系統(tǒng)。
通過對傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)及原理的分析，韓京清研究員發(fā)現(xiàn)其存在的一些問題。據(jù)此，韓京清研究員提出利用跟蹤微分器安排過渡過程，采用適當(dāng)?shù)姆蔷€性組合以及反饋律等相應(yīng)的改進(jìn)措施，提出新型的非線性PID控制算法，并驗(yàn)證了這種新型算法有很好的魯棒性和適應(yīng)性。90年代中期，對觀測器形式的跟蹤微分器進(jìn)行改造而獲得了一類不確定對象的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(ExtendedStateObserver,ESO)。ESO不僅能得到不確定對象的狀態(tài)，還能獲得對象模型中的內(nèi)擾和外擾的時(shí)實(shí)作用量，如果將這個(gè)時(shí)實(shí)作用量補(bǔ)償?shù)娇刂破髦?，那么非線性PID中的積分作用就可以取消，再進(jìn)一步將控制器用于高階對象的控制時(shí)，一種新的控制律—線性狀態(tài)誤差反饋律(NonlinearStateErrorFeedback,NLSEF)產(chǎn)生了。通過對現(xiàn)代控制理論和PID優(yōu)缺點(diǎn)的分析，將現(xiàn)代控制理論對控制系統(tǒng)的認(rèn)識和現(xiàn)代的信號處理技術(shù)相結(jié)合，汲取經(jīng)典PID的思想精華，就形成了一種新型實(shí)用控制器—自抗擾控制器(AutoDisturbanceRejectionController,ADRC)。
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