小編大學學的是自動化（控制）專業，自打上大學的天起，老師們就語重心長的告訴我們，自動化專業是萬金油（SHA DOU XUE）專業，培養了大量從事嵌入式軟硬件開發，IT，互聯網，人工智能，計算機視覺，儀器儀表，甚至是管理等各行各業的人才，就是畢業后從事本專業的人少之又少，哎，大學專業選擇真是一門科學啊。
 

本文與大家分享一下移動機器人研發中(zhong)所(suo)涉及的(de)一系列控(kong)制問題，以(yi)說明作為機(ji)器人領域里內的(de)核心技術之(zhi)一，控(kong)制學也是很“硬核”的(de)。

1.  移動機器人運動控制

“天下武功，唯快不(bu)破”，移動(dong)機器(qi)人一般通過電機控(kong)制(zhi)輪子完成移動(dong)。作為末端執行(xing)機構，電機的(de)運動(dong)控(kong)制(zhi)要求響應快（毫秒(miao)級響應時間），精度(du)高。目前，典型的(de)電機控(kong)制(zhi)是一個(ge)(ge)串級控(kong)制(zhi)系統，由三個(ge)(ge)閉環反饋(kui)組成，即(ji)位置環，速度(du)環，電流(liu)環，其原理如(ru)下：

圖1  運動控制原(yuan)理圖

OK，控制(zhi)模塊本質(zhi)上(shang)就是三個PID嵌(qian)套，So easy。老師告訴我(wo)們，目(mu)前90%以上(shang)控制(zhi)系統使用的(de)都是PID，因為PID真的(de)很魯棒。另外，對(dui)于(yu)移(yi)動機(ji)器人的(de)主動輪電機(ji)，往往以控制(zhi)電機(ji)轉速為被控變量，此(ci)時沒有外面的(de)位置(zhi)環(huan)，只需要(yao)速度環(huan)，電流環(huan)兩個環(huan)即可。

2.  機器人運動模型

模(mo)型是一切(qie)控制系(xi)統的(de)(de)基礎，機(ji)器人(ren)(ren)運(yun)動(dong)(dong)模(mo)型描述的(de)(de)是移動(dong)(dong)機(ji)器人(ren)(ren)主(zhu)動(dong)(dong)輪轉動(dong)(dong)的(de)(de)速度(du)與機(ji)器人(ren)(ren)整體運(yun)動(dong)(dong)狀態的(de)(de)關系(xi)，不(bu)(bu)同(tong)底盤(pan)構(gou)造的(de)(de)移動(dong)(dong)人(ren)(ren)運(yun)動(dong)(dong)模(mo)型大不(bu)(bu)相同(tong)。常(chang)見機(ji)器人(ren)(ren)運(yun)動(dong)(dong)模(mo)型有三種：單(dan)舵輪、雙輪差動(dong)(dong)、雙舵輪。

圖2  常(chang)見移動機(ji)器人運動模型

本文以單(dan)舵(duo)輪(lun)為(wei)例（其實就是一種三(san)輪(lun)車(che)），由后面兩個固定(ding)軸的從(cong)動(dong)輪(lun)，以及前面一個可以轉(zhuan)向(xiang)的主動(dong)輪(lun)(舵(duo)輪(lun))組成。假設我(wo)們過一個不急的彎，需(xu)要以v = 1m/s的線速(su)(su)度(du)前進，同時帶著w = 0.1rad/s角速(su)(su)度(du)漂亮的漂移過彎。那么(me)我(wo)們既(ji)要決(jue)定(ding)打多少方向(xiang)，又需(xu)要決(jue)定(ding)腳蹬的多猛，這(zhe)就是機器人運動(dong)模型所(suo)解(jie)決(jue)的問題。

根據(ju)圖中所示(shi)：

根據(ju)輸(shu)入(ru)的(de)(de)v= 1m/s, w = 0.1rad/s，可(ke)(ke)以反算出(chu)vf與θ的(de)(de)值,其中θ對應(ying)于三輪車(che)(che)車(che)(che)頭轉的(de)(de)方向大小，而vf對應(ying)于腳蹬的(de)(de)多快。其他兩種(zhong)機器(qi)人運(yun)動模型(xing)讀者(zhe)可(ke)(ke)自行推導或查找(zhao)相關(guan)資料(liao)，而且實際上的(de)(de)運(yun)動模型(xing)并沒有(you)如此簡(jian)單(dan)，還需要(yao)考慮車(che)(che)輪的(de)(de)彈性(xing)系數等復雜的(de)(de)物(wu)理變量。

3.  路徑跟蹤

控制(zhi)論中經典Tracking問題，即給定一條軌(gui)(gui)跡，移動(dong)機器人(ren)需要盡量沿軌(gui)(gui)跡行走，控制(zhi)目標是盡量減(jian)小機器人(ren)實際行走路線與規劃(hua)軌(gui)(gui)跡的偏差。如下圖所示(shi)：

圖3  路徑跟蹤問題示(shi)意圖

4.  定位問題

其中，f是運動方程，u是輸入，w是輸入噪聲，g是觀測方程，y是觀測數據，n是觀測噪聲。
常用里程計信息預測機器人下一個狀態的位置，也就式（1）可以簡化為：

Δxk表示采用里程計信息計算得到兩個時間間隔中機器人的相對運動。
而對于激(ji)光定位(wei)來說，所(suo)謂的觀測方程，就是(shi)激(ji)光雷達所(suo)檢測到的所(suo)有激(ji)光點與地圖匹配后得(de)到的機器人位(wei)置(zhi)估(gu)計。

對(dui)于視覺SLAM來說，所謂的(de)觀測方程(cheng)，就是相機拍攝到(dao)的(de)圖片(pian)中的(de)特征點與(yu)地圖匹配后得到(dao)的(de)機器人位置(zhi)估計。

根據定義，這是(shi)典型的(de)卡(ka)爾曼濾(lv)波（俗(su)稱“即卡(ka)又慢(man)”）表示形式，學過(guo)系統(tong)辨識與濾(lv)波的(de)同(tong)學可(ke)以愉快的(de)玩耍了。

5.  多機調度

實際場景(jing)中往往需要(yao)多(duo)臺(tai)機(ji)器人同時在線解決復雜的(de)多(duo)項(xiang)任務，多(duo)機(ji)調(diao)度系統需要(yao)優化每個移動機(ji)器人的(de)行(xing)走路徑，避免路徑死鎖，也就(jiu)是(shi)路徑互相被占，且無法自(zi)主釋放。

圖(tu)5  堵車是死鎖問題(ti)，移動(dong)機(ji)器人(ren)調度中也會遇到

除了需(xu)滿(man)足不死鎖(suo)的基本要(yao)(yao)(yao)求，多機(ji)調(diao)度系(xi)統更(geng)需(xu)要(yao)(yao)(yao)合理分配任務(wu)至每個移動機(ji)器(qi)(qi)人以提升總體任務(wu)執行(xing)效率，同時(shi)選擇合適時(shi)機(ji)分配空閑的移動機(ji)器(qi)(qi)人自動充電(dian)。考慮到(dao)機(ji)器(qi)(qi)人隨時(shi)可能遇(yu)到(dao)異(yi)常故(gu)障退出調(diao)度，以及添加(jia)新(xin)的機(ji)器(qi)(qi)人等(deng)情況，因此多機(ji)調(diao)度系(xi)統解決(jue)的是一個隨機(ji)環境下(xia)的動態優化(hua)命題，問題復(fu)雜度是NP-hard的，需(xu)要(yao)(yao)(yao)開發人員熟練掌握《運(yun)籌(chou)學》、《圖(tu)論(lun)》、《Multi-agent》、《分布式(shi)系(xi)統控制》、《離散事(shi)件動態系(xi)統》等(deng)相(xiang)關控制領(ling)域的知識(shi)。

后，作為(wei)控制學眾多(duo)研究(jiu)(jiu)方(fang)(fang)向(xiang)中的當紅小生，近火熱出天際，號稱人(ren)類(lei)(lei)(lei)第(di)N次工(gong)業革命“人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)(neng)”之術(shu)，怎(zen)么還沒出現呢？其實，移(yi)動(dong)(dong)機器人(ren)領(ling)域(yu)的很(hen)多(duo)問(wen)題，終ji的解決方(fang)(fang)案就是人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)(neng)，比如(ru)(ru)軌(gui)跡跟蹤(zong)問(wen)題，如(ru)(ru)果達到人(ren)類(lei)(lei)(lei)的智(zhi)能(neng)(neng)就可以(yi)隨心所欲(yu)的漂移(yi)過彎(wan)，停車一把到位(wei)，比如(ru)(ru)自(zi)主(zhu)定位(wei)問(wen)題，人(ren)類(lei)(lei)(lei)僅憑一雙眼睛就能(neng)(neng)環游(you)世界而(er)不迷(mi)路，因此(ci)，已經(jing)有大量研究(jiu)(jiu)嘗試采(cai)用強化學習(xi)的方(fang)(fang)法解決移(yi)動(dong)(dong)機器人(ren)行(xing)走的問(wen)題，采(cai)用深度學習(xi)方(fang)(fang)法解決自(zi)主(zhu)定位(wei)的問(wen)題，這些前沿的算(suan)法將是使機器人(ren)真正能(neng)(neng)夠(gou)像人(ren)一樣(yang)“會(hui)(hui)看，會(hui)(hui)想，會(hui)(hui)走，會(hui)(hui)做事(shi)”的技術(shu)基(ji)礎。

本文屬(shu)于純原創文章，轉(zhuan)載請注(zhu)明(ming)杭(hang)州藍(lan)芯科(ke)技有(you)限(xian)公司