無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下移動機器人的控制策略研究

趙慧南

本文圍繞著移動機器人的控制性能優(yōu)化進行針對性研究，根據(jù)無線控制網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中所存在的延遲性問題提出相應(yīng)的控制器、補償器研究與設(shè)計，希望可以為今后相關(guān)工作者提供理論性幫助。

1 移動機器人動力學(xué)模型

對移動機器人的控制算法進行討論與設(shè)計時根據(jù)模型對兩輪的移動機器人、履帶式移動機器人以及四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向機器人等采取通用性的設(shè)計。

通過圖1可見，M為移動機器人的質(zhì)量、Iy為轉(zhuǎn)動慣量、Dt與Dr分別為左右輪的驅(qū)動力量，l為機器人的左右輪之間輪間距，u為機器人的移動速度，Iw為論的轉(zhuǎn)動慣量，k為驅(qū)動增譯，輪子的半徑為r。通過移動機器人的轉(zhuǎn)向分析后決定采取左右輪速差的方式轉(zhuǎn)動，最終確定動力學(xué)的結(jié)果。

2 移動機器人的控制

移動機器人的控制策略應(yīng)用離散的反演控制理論進行分析，其主要是以對機器人的反方位角、線速度實行給定信號的跟蹤，進而實現(xiàn)移動機器人的移動軌跡給定信號的判斷。反演控制率的設(shè)計方式基本思路是將復(fù)雜的系統(tǒng)劃分為不超過系統(tǒng)階數(shù)子系統(tǒng)進行控制，按照每一個系統(tǒng)分別設(shè)計具體的中間虛擬控制量以及李亞譜諾夫函數(shù)，然后對整個消停實行控制率的設(shè)計。其主要是以快速反應(yīng)、高精度控制、無超調(diào)、強抗干擾等特征，并且根據(jù)調(diào)整的設(shè)計參數(shù)控制率設(shè)置，從而減少控制器在計算方面的工作量。

3 誘導(dǎo)時延與控制序列補償器的設(shè)計

因為無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)當(dāng)中存在許多的無線通信距離限制、通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點共享多、無線網(wǎng)絡(luò)寬帶有限以及流量不規(guī)則等問題，系統(tǒng)當(dāng)中經(jīng)?？赡馨l(fā)生數(shù)據(jù)碰撞的問題，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)堵塞、信息傳遞不及時、網(wǎng)絡(luò)時延等問題，這一種因為無線網(wǎng)絡(luò)本身的特性所導(dǎo)致的時間延遲屬于誘導(dǎo)時延。導(dǎo)致誘導(dǎo)時延的可能性較多，其主要原因在于網(wǎng)絡(luò)通信的資源限制問題，以調(diào)度、協(xié)議以及寬帶為主。因為無線網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延會遭受多種因素影響，誘導(dǎo)時延會呈現(xiàn)出有界、無界、固定以及隨機等多種特征。在無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)又道時延因為傳感器至控制器的時間延遲、控制器計算過程中的時間延遲、控制器到執(zhí)行器的時間延遲等因素會工程。導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)誘導(dǎo)時延的因素比較多，涉及到信息產(chǎn)生時延、數(shù)據(jù)包的排隊等待時延以及傳遞的時延。

模型預(yù)測的控制方式是上世紀(jì)發(fā)展并逐漸成熟的計算機控制計算方式，模型預(yù)測控制是一種應(yīng)用多步預(yù)測、滾動優(yōu)化以及反饋矯正的控制方法，具備控制效果理想、魯棒性能優(yōu)秀、模型控制準(zhǔn)確度較高等優(yōu)勢。因為模型預(yù)測控制應(yīng)用多步預(yù)估的計算方式，可以有效的解決時延的問題，并且在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用效果較為理想。在設(shè)計過程中在反演控制率的基礎(chǔ)上，建設(shè)特殊的模型并應(yīng)用模型獲得后續(xù)一定時刻在控制序列方面的最佳方式，從而達到預(yù)測補償?shù)哪康摹Ｆ渲饕墙柚鄳?yīng)維數(shù)的單位矩陣、相位的維數(shù)零矩陣等藝術(shù)確定具體的輸入與輸出量?？刂菩蛄械念A(yù)測補償器從無線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中獲得控制器所提出的控制基序列，并在預(yù)測控制方面按照預(yù)定的控制序列參數(shù)、接收到的數(shù)值對后續(xù)多個周期之內(nèi)的控制值實行預(yù)測，從而獲得預(yù)測的控制序列，之后再按照預(yù)測控制序列借助無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)放到執(zhí)行器中，從而在無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)時延時按照目前的采樣周期以及控制器的序列從緩存數(shù)據(jù)當(dāng)中選擇最佳的控制命令實現(xiàn)預(yù)定的補償性的控制目標(biāo)。

4 總結(jié)

綜上所述，本文簡單提出了關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下移動機器人對于預(yù)定信號的動態(tài)化跟蹤問題，并根據(jù)常用的移動機器人動力學(xué)特性建設(shè)了動力學(xué)模型，通過這一模型的離散化模型設(shè)計控制器以及信號跟蹤，在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下提出網(wǎng)絡(luò)時延以及相應(yīng)的控制方式，從而提高移動機器人在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境之下的控制效果。

（作者單位：東北師范大學(xué)人文學(xué)院理工學(xué)院）