单舵轮AGV路径跟踪控制方法的研究

近些年，随着科技的飞速发展，自动导引运输车(AGV)技术和运动控制方法也得到了快速发展，其应用也已经分布到很多领域，为人类的生活和工作带来了极大的便利和安全保证。路径跟踪问题作为AGV运动控制的主要问题之一，由于其具有特殊的重要性，国内外大批学者投入到对其的研究中。文献[1]提出一种基于用于非完整移动机器人的自适应输出反馈跟踪控制器，以保证跟踪误差趋于任意小的值。文献[2]采用预瞄准理论将路径进行分段来实现分段跟踪。文献[3]采用 Backstepping 的思想通过构造中间变量达到系统的全局稳定。文献[4]基于 AGV 前进模式和倒车模式的相似性设计了一种新的控制规则。文献[5]采用遗传算法来优化滑模控制进而实现精确的跟踪。文献[6]提出一种新的轨迹规划算法，并设计一种速度限制控制器来进行轨迹的跟踪。

单舵轮 AGV 作为广泛使用的 AGV，也引起了不少研究学者的关注。针对单舵轮 AGV 路径跟踪控制问题，文献[7-8]将单舵轮 AGV 的运动学模型转变为路径变量描述方程，并通过文献[9]提出的链式法推导出一种时变反馈控制策略。文献[10]采用级联反推法设计出一种分段控制率，来实现全局跟踪。文献[11]提出一种模型预测运动控制，来自动调整 AGV 速度并最小化路径跟随误差。文献[12]提出了一种 Lyapunov 共轭梯度法（LCGM）的模糊控制器。上述的控制算法虽然在单舵轮 AGV 跟踪控制上取得了显著的成效，但这些控制算法在跟随参考路径时没有考虑路径曲率突变对单舵轮 AGV的平稳控制的影响。本文结合单舵轮 AGV 结构以及运动学模型，通过 Lyapunov 构造出一种单舵轮AGV 路径跟踪控制器，并考虑参考路径的曲率突变问题，使用连续曲率曲线优化参考路径，在不影响路径跟踪控制效果的前提下，提高单舵轮 AGV 运动的平稳性，最后通过仿真和实验结果验证了该优化后的控制器的有效性。

1 单舵轮 AGV 模型

1.1 单舵轮 AGV 运动学模型

如图 1 所示，本文研究的单舵轮 AGV 的结构包括 1 个主动轮、2 个定向轮和 1 个万向轮，其中主动轮为舵轮，有驱动和转向的功能。万向轮主要起支撑作用，提高 AGV 承载能力和稳定性，对运动学模型没有影响。定义 AGV 前面两个从动轮中心连线的中点O 作为 AGV 的参考点，O-X-Y 为小车局部坐标系。