基于模型预测控制的足球机器人轨迹跟踪控制研究

【摘要】：本论文以RoboCup中型组机器人足球赛为研究背景,为提高机器人在高度对抗的比赛环境下的避障能力和进攻效率,设计了基于Bezier曲线和Voronoi图的全局路径规划算法,并以此为基础,重点研究了基于模型预测控制的全向移动机器人轨迹跟踪控制问题。 路径规划是获取中型组机器人足球赛胜利的关键技术之一,论文首先分析了目前RoboCup中型组足球机器人广泛采用的避障方案和路径规划存在的弊端以及原因,分析了基于全局世界模型的路径规划算法的合理性,综合全向视觉系统检测到的障碍物位置和场地特征点共同生成Voronoi图,通过选取合理的控制点,拟合出能够避开障碍物并且能够直接衔接射门动作的平滑路径,将获得的几何路径按照设定的参考加速度和参考速度进行轨迹化。 为获得高性能的轨迹跟踪控制方案,设计了基于模型预测控制的轨迹跟踪控制器。机器人采用基于运动学模型的分层控制方案,针对轨迹跟踪问题,根据全向移动机器人的运动学模型建立了线性化的全动态误差模型,以此为基础设计实现了基于拉盖尔函数的模型预测控制算法,使全向移动机器人在满足运动学约束的前提下,能够保证较好的跟踪动态性能的同时有效降低在线计算量。 针对基于线性化模型的模型预测控制器只能保证局部稳定性的弊端,为解决轨迹跟踪局部稳定性问题和parking问题,研究了基于非线性误差模型的非线性模型预测控制算法,通过选取合理的Lyapunov函数作为终端加权,寻找闭环系统满足约束状态及控制量约束的终端约束域,最终保证系统的渐近稳定性。 仿真实验表明本文设计的路径规划方法能够获得一条可以直接衔接射门动作的平滑避障路径,并可自由设定轨迹的加速度曲线和速度曲线。基于模型预测控制的轨迹跟踪控制方案具有良好的动态跟踪性能,采用非线性模型预测控制能够解决parking问题。