24、基于近似线性化的自主车辆控制：履带式移动机器人的非线性最优控制

基于近似线性化的自主车辆控制：履带式移动机器人的非线性最优控制

1. 引言

自主车辆的控制是一个具有挑战性的领域，特别是对于履带式自主车辆和履带式移动机器人。这些机器人在建筑工程、采矿、救援、巡逻、国防和农业等领域有着广泛的应用。与轮式无人地面车辆相比，履带式移动机器人在崎岖和难以到达的地形中表现出色，能够完成越野任务。然而，由于履带与地面的非牢固接触，容易出现滑动效应，这使得相关的运动学模型变得复杂，控制问题也变得极具挑战性。

2. 履带式自主车辆概述

• 应用领域 ：履带式自主车辆和机器人在多个领域有广泛应用，包括建筑工程（推土机等建筑机械）、救援和巡逻（需进入崎岖地形）、国防（战斗坦克和爬行车辆）以及农业（履带式拖拉机）。
• 运动原理 ：车辆的运动由两个履带提供，履带通过车辆链轮中的转动轮旋转。其基本运动学模型类似于差分轮驱动车辆，但由于履带与地面的非牢固接触，容易出现滑动效应。
• 滑动效应影响 ：滑动效应使运动学模型变得复杂，具有多变量结构和欠驱动特性，导致相关控制问题的解决变得困难。

3. 非线性最优控制解决方案

为解决履带式移动机器人和车辆的非线性最优控制问题，提出了一种新的解决方案：
1. 近似线性化 ：对受滑动效应影响的履带车辆运动学模型，在临时操作点（平衡点）附近进行近似线性化。该操作点由车辆状态向量的当前值和控制输入向量的最后采样值定义。线性化过程基于一阶泰勒级数展开和相关雅可比矩阵的计