收稿日期:20120317;修回日期:20120427 基金项目:国家自然科学基金资助项目(51177040,61104072);湖南省自然科学湘潭市
联合基金重点资助项目(09jj8006)
作者简介:张扬名(1987),男(通信作者),湖南安仁人,硕士研究生,主要研究方向为移动机器人运动控制(ymz716@126.com);刘国荣
(1957),男,湖南华容人,教授,博导,主要研究方向为智能机器人的控制、交流电机控制;兰永红(1976),男,湖南汨罗人,讲师,硕导,博士,主要
研究方向为复杂工业系统建模与分析、重复控制及其应用.
一种改进的移动机器人轨迹跟踪迭代学习方法
张扬名
1
,刘国荣
1,2
,兰永红
1
(1.湘潭大学 信息工程学院,湖南 湘潭 411105;2.湖南工程学院,湖南 湘潭 411101)
摘 要:通过对轮式移动机器人轨迹跟踪优化问题的研究,提出了一种适应性强、收敛速度快且跟踪误差小的
迭代滤波学习控制方法,充分发挥了迭代学习控制和
Kalman滤波算法的优势,通过引入状态补偿项和设计新的
迭代学习增益矩阵对迭代学习律进行了改进。改进的迭代学习控制能够更快速、更精确、更有效地跟踪期望的
圆轨迹。采用离散的 Kalman滤波器对干扰和噪声进行滤波,抑制了干扰和噪声对轨迹跟踪的影响,使该控制算
法更适合于工程应用。计算机实验和仿真表明该方法具有较好的轨迹跟踪能力。
关键词:轮式移动机器人;轨迹跟踪;迭代学习控制;Kalman滤波;工程应用
中图分类号:TP24 文献标志码:A 文章编号:10013695(2012)10372805
doi:103969/jissn10013695201210032
Improvediterativelearningcontrolmethodformobilerobottrajectorytracking
ZHANGYangming
1
,LIUGuorong
1,2
,LANYonghong
1
(1.CollegeofInformationEngineering,XiangtanUniversity,XiangtanHunan411105,China;2.HunanInstituteofEngineering,Xiangtan
Hunan411101,China)
Abstract:Throughstudyingtrajectorytrackingoptimizationproblemsofthewheeledmobilerobot,thispaperproposedaitera
tivelearningcontrolapproachbasedonKalmanfilterwithstrongadaptability,fastconvergenceandsmallerror.Inorderto
bringtheadvantagesofKalmanfilteringalgorithmandtheiterativelearningcontrolalgorithmintofullplay,itusedtheintro
ductionofstatecompensationtermanddesignednewiterativelearninggainmatrixtoimprovethelawofiterativelearningcon
trol.Animprovediterativelearningcontrolcouldtrackthedesiredcirculartrajectorymorequickly,moreaccuratlyandmore
effectively.ItusedadiscreteKalmanfiltertofilterrejectionandnoise,andrestrainedtheinfluenceofinterferenceandnoise
ontrajectorytracking.Itmadethisalgorithmmoresuitableforengineeringapplication.Experimentsandcomputersimulations
showthatthemethodhasgoodtrackingability.
Keywords:wheeledmobilerobot;trajectorytracking;iterativelearningcontrol;Kalmanfiliter;engineeringapplication
迭 代 学习控 制 (iterativelearningcontrol,ILC)最 早 是 在
1984年由文献[1]提出的一种对做重复运动的轨迹跟踪系统
性能有改善作用的控制方法。这种方法是利用系统的实际输
出和期望输入的偏差来修正控制输入,以满足系统的输出不断
收敛于期望值。它不但算法简单,而且不需要依赖动态系统的
精确数学模型,适应处理不确定、强耦合、非线性、难以建模的
复杂系统。因此,迭代学习控制一经推出,就在机器人控制领
域引起广泛的关注。然而在迭代学习控制算法中,对学习增益
的选择还没有成熟的规律。
20世纪 80年代,文献[2]对开放
的 P型、PI型、PID型以及 PD型、D型的学习算法理论与应用
做了大量的研究工作,取得了相当一批优秀的理论成果,并针
对线性系统在
D型学习律下的稳定性和收敛条件进行了证
明。经过十多年的发展,Bien等人把迭代学习控制理论用于
各种不同的实际重复运动。2003年,文献[3]使用基本的 P型
学习算法来跟踪一个缓慢单调的轨迹,其性能是极好的,但在
跟踪正弦轨迹时则显得逊色。2004年,Xu等人提出了利用当
前误差来更新输入控制量的位置跟踪。2009年,文献[4]总结
已有的研究成果,提出了一种新型的迭代学习控制律,虽然最
终能够正确收敛于期望值,但是收敛速度慢,不具有抗干扰能
力。在实际应用中,由于控制算法在无限时间收敛是没有意义
的,为了提高迭代学习控制算法的收敛速度,本文从两个不同
方面对迭代学习律进行了优化,在满足迭代学习控制过程收敛
稳定的条件下,使收敛速度明显加快。在改进迭代学习律的前
提下,考虑到实际环境中存在诸如状态噪声和测量噪声等各种
干扰,本文利用
Kalman滤波对干扰进行了滤波,结合迭代学习
控制算法与 Kalman滤波算法,从而使该控制算法更适合于现
实中的工程应用。
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问题描述
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研究对象
移动机器人在运动控制的理论研究中,一般假设系统的非
完整约束是一种理想约束,即轮子与地面为点接触,且接触点
处只有纯滚动而不发生相对滑动(包括侧向和纵向滑动)。为
了建立整个机器人的运动学模型,把机器人设定为一个建立在
轮子上的刚体。图 1为轮式移动机器人的运动学模型。
第 29卷第 10期
2012年 10月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol29No10
Oct2012