科学网-克服全向轮机器人在倾斜表面挑战的自抗扰控制方法-邹铁枫的博文

克服全向轮机器人在倾斜表面挑战的自抗扰控制方法

2025-9-29 17:32

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Overcoming inclined surface challenges in Mecanum-wheeled robots using active disturbance rejection control(克服全向轮机器人在倾斜表面挑战的自抗扰控制方法)

传统麦克纳姆轮机器人研究多基于平面假设，忽视了斜坡工况带来的挑战。倾斜表面引入的重力分量会导致机器人下滑，加之车轮滑移和振动，造成显著跟踪误差。为解决此问题，本研究提出一种自抗扰控制（ADRC）框架。该方法核心在于通过扩张状态观测器（ESO）实时估计并补偿重力、模型不确定性和外部扰动构成的“总扰动”，对系统模型依赖度低。控制器由轨迹跟踪器、状态观测器和扰动补偿器构成。通过仿真与实验验证，该ADRC策略在斜坡全向运动中的跟踪精度显著优于传统PID及其与准滑模控制结合的鲁棒变体（PID-QSMC）。本研究主要贡献在于：首次为斜坡工况下的麦克纳姆轮机器人建立了完整ADRC方案，并完成了实验验证，突破了该类机器人仅限于平坦环境的应用局限。

标题：Overcoming inclined surface challenges in Mecanum-wheeled robots using active disturbance rejection control

作者：José C. Ortiz Hernández· David I. Rosas Almeida· Ernesto V. González Solís

机构：Universidad Autónoma de Baja California, Baja California, Mexico

引用信息：Hernández, J.C.O., Almeida, D.I.R. & Solís, E.V.G. Overcoming inclined surface challenges in Mecanum-wheeled robots using active disturbance rejection control. Control Theory Technol. (2025). https://doi.org/10.1007/s11768-025-00271-9

全文链接：https://rdcu.be/eHXwQ

摘要

对麦克纳姆移动机器人的研究通常假定其在平面运动，而倾斜地形带来的挑战至今尚未得到充分探索，导致该类场景下的控制应用存在显著空白。在此背景下，两大关键问题凸显：一是机器人动力学中因增加势能项而产生的重力下拉作用，导致车辆向下滑移；二是麦克纳姆轮因振动与打滑引发的多位姿误差。为应对这些挑战，本研究提出了一种基于自抗扰控制（ADRC）的框架，旨在重力与打滑复合干扰下实现倾斜表面的精准轨迹跟踪。与传统控制器不同，该方法仅需极少的模型先验知识，即可实时动态补偿未知动力学与外部扰动。研究不仅提供了完整的理论框架，还通过数值仿真与全面实验验证予以支撑。结果表明，ADRC结构不仅显著优于传统比例-积分-微分（PID）控制，也优于结合准滑模控制（PID-QSMC）的鲁棒PID变体策略，展现出更优越的跟踪性能。值得注意的是，本研究为麦克纳姆轮机器人在倾斜表面的运行提供了重要的实验验证，为其突破平坦环境限制、扩展操作能力贡献了实用且可推广的解决方案。

引言

在过去的几十年里，轮式移动机器人的应用显著提升了工业与非工业领域等各行各业的生产效率。应对现实世界挑战的需求推动了不同类别轮式移动机器人的发展，这些机器人可依据多种标准进行分类。其中一个至关重要的分类标准是其移动所采用的运动方式。传统轮式移动机器人主要依赖差速转向或阿克曼转向机构。然而，传统轮式移动机器人存在运动约束，将其运动限制在两种独立但相互关联的形式：纵向移动和旋转运动。正因如此，一类能够在保持初始朝向不变的情况下向任意方向移动的轮式移动机器人应运而生，这类机器人被称为全向移动机器人。

为实现全向运动，研究人员开发了多种技术方案。在大多数情况下，这一功能依赖于特殊的轮毂设计，其中麦克纳姆轮因其安装简便和高负载能力而尤为突出。麦克纳姆轮由Bengt Ilon于1970年代发明，是一种全向轮，其特点是在轮毂表面以相对于轮轴45度角安装由橡胶合金制成的被动滚子。当滚子与地面接触时会产生附加力，从而实现全向运动能力，使机器人能够在前行、后退、左右横移、任意角度斜向移动的同时保持初始朝向。基于这些优势，该类机器人已拓展至多个应用领域，例如残疾人电动轮椅、医院药品配送、重载工业应用及其他场景。

结论

本研究探讨了麦克纳姆轮移动机器人在倾斜表面应用场景的拓展。研究重点解决了重力导致车辆下滑的补偿问题，指出需要开发鲁棒控制策略来抑制这种不利影响。通过理论分析，我们证明了自抗扰控制（ADRC）能有效将重力势能项视为扰动并进行补偿。实验结果表明，在稳态误差、均方根误差和绝对误差积分指标上，ADRC控制器的性能均优于传统PID控制器及其与准滑模控制（QSMC）结合的鲁棒变体（PID-QSMC）。

在具体研究问题的引导下，本研究进一步证实ADRC成功将重力效应作为扰动分量进行处理，并有效削弱其影响。与PID及PID-QSMC控制器相比，ADRC在轨迹跟踪控制中的性能提升幅度多数情况下超过50%。

本研究提出的成果为深入探索麦克纳姆移动机器人在复杂动态斜坡（包括沿x轴和y轴连续变化的斜度环境）上的导航奠定了理论基础。后续研究将以这些发现为起点，开发能够应对更复杂地形剖面和实际部署挑战的先进控制策略。由此向移动机器人控制领域提出一个开放性问题：麦克纳姆轮移动机器人在多轴向倾斜地形运行时，能否保持其全向运动能力？

作者介绍

José C. Ortiz Hernández，分别于2020年和2022年在墨西哥Universidad Autónoma de Baja California（UABC）获得机电一体化工程学士学位和工程硕士学位。他目前是该大学的博士研究生，主要从事麦克纳姆轮式移动机器人的控制研究。

David I. Rosas Almeida，于1997年在墨西哥Autonomous University of Puebla获得电子工程学士学位，随后于1999年和2005年在墨西哥Scientiﬁc Research and Higher Education Center of Ensenada分别获得电子与通信硕士和博士学位，研究方向为仪器仪表与控制。自1999年起，他一直担任墨西哥Universidad Autónoma de Baja California（UABC）工程学院的教授。他的研究领域涵盖非线性控制、不连续系统及同步控制。

Ernesto V. González Solís，在Universidad Autónoma de Baja California（UABC）于2009年获得电子工程学士学位，2012年获硕士学位，2017年获得科学博士学位。自2010年起，他一直担任UABC工程学院的教授。他的研究方向包括系统自动控制、系统的同步化及远程操作。

期刊简介

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.5)、EI、Scopus (CiteScore 3.2)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目(2021-2024年)，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

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