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用于移动障碍物规避的安全轨迹跟踪的滑模控制:平面机器人实验验证
Sliding Mode Control for Safe Trajectory Tracking with Moving Obstacles Avoidance: Experimental Validation on Planar Robots

作者: Shubham Sawarkar, P Sangeerth, S Saharsh 等4人
arXiv: 2604.24518v1
分类: eess.SY, cs.RO, math.OC
📝 论文摘要
本文提出了一种适用于广泛移动机器人的统一控制框架,用于实现鲁棒轨迹跟踪与移动障碍物规避。通过构建广义运动学变换,将多种车辆动力学模型转化为严格反馈形式,从而便于设计基于滑模控制的精确鲁棒参考跟踪策略。为确保动态环境下的运行安全性,将跟踪控制器与基于碰撞锥控制障碍函数的安全滤波器相集成。所提出的架构能够在存在外部扰动时保证渐进跟踪,同时严格满足避碰约束。本文的创新点在于首次为阿克曼转向等地面机器人设计滑模控制器。通过数值仿真及在阿克曼转向车辆、差动驱动机器人和四旋翼无人机三种不同平台上的广泛实际实验,验证了该方法的有效性与通用性。实验视频见https://youtu.be/dWcxwum96vk。

📊 核心分析

🎯 研究动机
- 现有**轨迹跟踪**与**移动障碍物避碰**算法在动态环境中鲁棒性不足,缺乏针对多种移动机器人的统一框架 - 传统方法难以同时保证**渐近跟踪(asymptotic tracking)**与**碰撞避免约束(collision avoidance constraints)**的严格满足 - 研究背景:移动机器人需要在存在外部扰动和动态障碍物的环境下安全运行,但现有控制方法多针对特定车型设计
🔧 核心方法
- 提出基于**广义运动学变换(generalized kinematic transformation)**将不同车辆动力学转换为**严格反馈形式(strict feedback form)** - 设计**滑模控制(Sliding Mode Control, SMC)**实现精确且鲁棒的参考轨迹跟踪 - 集成**碰撞锥控制障碍函数(Collision Cone Control Barrier Function, C3BF)**作为安全滤波器,强制满足避碰约束
💡 核心创新
- **首次**为**阿克曼转向(Ackermann-steered)**地面机器人设计滑模控制器,填补了该类型机器人无SMC应用的空白 - **统一框架**:将SMC与C3BF安全滤波器结合,同时保证鲁棒跟踪和严格避碰,无需切换逻辑 - **实验验证全面**:在阿克曼车、差动驱动车和四旋翼飞行器三种不同平台上进行实际实验,证明方法普适性
🏆 总体贡献
- 为移动机器人**轨迹跟踪与避障**提供了一种**鲁棒且安全(unified robust and safe)**的统一控制架构 - 通过实实验验证了方法在多种机器人平台上的有效性和可迁移性 - 开源实验视频促进社区复现和进一步研究,推动**安全控制理论(safety-critical control)**在机器人领域的应用