第9卷第5期 智能系统学报 Vol.9 No.5 2014年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2014 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201304003 动力学解析的四轮全向移动机器人电机解耦控制 王建彬，陈建平2，杨宜民 (1.广东工业大学自动化学院，广东广州510090：2.肇庆学院计算机学院，广东肇庆526061) 摘要：四轮全向移动机器人是一个复杂的非线性、强耦合的机械系统，各轮驱动电机间存在强耦合现象，很难取得 理想的控制效果。针对这一问题，提出一种基于动力学解析的多电机控制系统解耦方法。通过对四轮机器人的动 力学解析推导出四轮转速与其驱动力矩间的状态方程，获得各电机输入输出量之间的耦合关系，在此基础上依据控 制量一致思想设计解耦控制器，解决了传统参考模型解耦方法不能兼顾控制性能和解耦性能的问题，实现了四路电 机的独立控制。仿真结果显示，该方法能够有效地减小控制系统各变量间的相互耦合作用，每路电机均很好地跟踪 了各自的输人，解耦效果好。 关键词：全向移动机器人；动力学解析：解耦控制：电机控制；运动控制 中图分类号：TP273文献标志码：A文章编号：1673-4785(2014)05-0569-08 中文引用格式：王建彬，陈建平，杨宣民.动力学解析的四轮全向移动机器人电机解耦控制[J].智能系统学报，2014,9(5)：569- 576. 英文引用格式：WANG Jianbin,CHEN Jianping,YANG Yimin.Motor decoupling control for four-wheel omni-directional mobile ro- bot based on dynamic analysis[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2014,9(5):569-576. Motor decoupling control for four-wheel omni-directional mobile robot based on dynamic analysis WANG Jianbin',CHEN Jianping',YANG Yimin' (1.School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510090,China;2.School of Computer Science,Zhaoqing University,Zhaoqing 526061,China) Abstract:An four-wheel omni-directional mobile robot is a complicated nonlinear strong coupling mechanical sys- tem.Since the strong coupling phenomena exist between wheel driven motors,it is difficult to obtain ideal control effect.In order to solve this problem,a decoupling method for multi-motor control based on dynamic analysis is raised in this paper.Through dynamic analysis of the four-wheel robot,the state equation between the four wheels' speed and the driving moment is derived,and the coupling relations between input and output variables of motors are obtained.Furthermore,the decoupling controller is designed according to the consistency idea of controlled vari- ables.Compared with decoupling control of the traditional reference model,the new controller meets both control- ling and decoupling performance,achieving independent control of four motors.Simulation results showed that the method can effectively reduce the coupling interaction between the control variables.Each motor can also track its own input,showing good tracking decoupling effect. Keywords:omni-directional mobile robots;dynamic analysis;decoupling control;motor control;motion control 收稿日期：2013-04-01. 全向移动机器人运动灵活，凭借着不改变位姿 基金项目：广东省自然科学基金资助项目(S2011010004006):广东省教 育部产学研结合资助项目(2012B091100423):肇庆市科技计 就可以向任意方向移动的独特运动优势，已经被广 划资助项目(2010F006):肇庆学院科研启动基金资助项目 (2012BS01). 泛应用于人类的生产、生活实践中山。由于四轮全 通信作者：陈建平.E-mail:jpchen(@zqu.cdu.cn. 向移动机器人是一个结构复杂、强耦合、非线性的机第 ９ 卷第 ５ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．９ №．５ ２０１４ 年 １０ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｃｔ． ２０１４ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１３０４００３ 动力学解析的四轮全向移动机器人电机解耦控制 王建彬１ ，陈建平２ ，杨宜民１ （１．广东工业大学 自动化学院，广东 广州 ５１００９０； ２．肇庆学院 计算机学院，广东 肇庆 ５２６０６１） 摘 要：四轮全向移动机器人是一个复杂的非线性、强耦合的机械系统，各轮驱动电机间存在强耦合现象，很难取得 理想的控制效果。 针对这一问题，提出一种基于动力学解析的多电机控制系统解耦方法。 通过对四轮机器人的动 力学解析推导出四轮转速与其驱动力矩间的状态方程，获得各电机输入输出量之间的耦合关系，在此基础上依据控 制量一致思想设计解耦控制器，解决了传统参考模型解耦方法不能兼顾控制性能和解耦性能的问题，实现了四路电 机的独立控制。 仿真结果显示，该方法能够有效地减小控制系统各变量间的相互耦合作用，每路电机均很好地跟踪 了各自的输入，解耦效果好。 关键词：全向移动机器人；动力学解析；解耦控制；电机控制；运动控制 中图分类号： ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１４）０５⁃０５６９⁃０８ 中文引用格式：王建彬，陈建平，杨宜民． 动力学解析的四轮全向移动机器人电机解耦控制［ Ｊ］． 智能系统学报， ２０１４， ９（ ５）： ５６９⁃ ５７６． 英文引用格式：ＷＡＮＧ Ｊｉａｎｂｉｎ，ＣＨＥＮ Ｊｉａｎｐｉｎｇ，ＹＡＮＧ Ｙｉｍｉｎ．Ｍｏｔｏｒ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｆｏｕｒ⁃ｗｈｅｅｌ ｏｍｎｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏ⁃ ｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１４， ９（５）： ５６９⁃５７６． Ｍｏｔｏｒ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｆｏｕｒ⁃ｗｈｅｅｌ ｏｍｎｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ＷＡＮＧ Ｊｉａｎｂｉｎ １ ， ＣＨＥＮ Ｊｉａｎｐｉｎｇ ２ ， ＹＡＮＧ Ｙｉｍｉｎ １ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１００９０， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｚｈａｏｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈａｏｑｉｎｇ ５２６０６１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｆｏｕｒ⁃ｗｈｅｅｌ ｏｍｎｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ａ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓ⁃ ｔｅｍ． Ｓｉｎｃｅ ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ｅｘｉｓｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｗｈｅｅｌ ｄｒｉｖｅｎ ｍｏｔｏｒｓ， ｉｔ ｉｓ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｉｄｅａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ， ａ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ⁃ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｒａｉｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｒ⁃ｗｈｅｅｌ ｒｏｂｏｔ， ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆｏｕｒ ｗｈｅｅｌｓ’ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｉｓ ｄｅｒｉｖｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｌａｔｉｏｎｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｐｕｔ ａｎｄ ｏｕｔｐｕｔ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｏｆ ｍｏｔｏｒｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ， ｔｈｅ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｉｄｅａ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｖａｒｉ⁃ ａｂｌｅｓ． Ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｍｏｄｅｌ， ｔｈｅ ｎｅｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｍｅｅｔｓ ｂｏｔｈ ｃｏｎｔｒｏｌ⁃ ｌｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｆｏｕｒ ｍｏｔｏｒｓ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｖａｒｉａｂｌｅｓ． Ｅａｃｈ ｍｏｔｏｒ ｃａｎ ａｌｓｏ ｔｒａｃｋ ｉｔｓ ｏｗｎ ｉｎｐｕｔ， ｓｈｏｗｉｎｇ ｇｏｏｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｍｎｉ⁃ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔｓ； ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ 收稿日期：２０１３⁃０４⁃０１． 基金项目：广东省自然科学基金资助项目（ Ｓ２０１１０１０００４００６）；广东省教 育部产学研结合资助项目（２０１２Ｂ０９１１００４２３）；肇庆市科技计 划资助项目（２０１０Ｆ００６）；肇庆学院科研启动基金资助项目 （２０１２ＢＳ０１）． 通信作者：陈建平． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｊｐｃｈｅｎ＠ ｚｑｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 全向移动机器人运动灵活，凭借着不改变位姿 就可以向任意方向移动的独特运动优势，已经被广 泛应用于人类的生产、生活实践中［１］ 。 由于四轮全 向移动机器人是一个结构复杂、强耦合、非线性的机