Toward Model Matching for Remotely Controlled Differential Drive Robotic Vehicles
作者: Nikolaos D. Kouvakas, Fotis N. Koumboulis, Konstantinos G. Tzierakis, John Sigalas, Anastasios Dimakakos
分类: eess.SY
发布日期: 2025-10-07
期刊: Emerging Tech Conference Edge Intelligence (ETCEI 2025)
💡 一句话要点
针对遥控差速驱动机器人，提出基于模型匹配的延时补偿控制方法
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 遥控机器人 差速驱动 模型匹配 延迟补偿 非线性控制
📋 核心要点
- 遥控机器人易受网络延迟影响，传统控制方法难以保证其航向角的精确控制。
- 提出一种基于模型匹配的延迟补偿控制方案，通过动态输出反馈控制器实现精确跟踪。
- 实验验证了该方法在延迟条件下能实现快速稳定和精确跟踪，优于传统AI调优方法。
📝 摘要（中文）
本文研究了具有执行器动力学和网络诱导延迟的遥控差速驱动移动机器人航向角调节问题。利用预先安装的两层非线性控制方案（解耦线速度和角速度并调节航向），引入了第三层延迟相关的控制层，实现了从航向角指令到实际航向角的精确模型匹配。所提出的外环控制器是一种延迟相关的动态可测量输出反馈控制器，带有动态适当的预补偿器。参数化产生了一个简单的特征准多项式，其系数被约束为满足所有延迟的稳定性，直至可计算的界限。计算实验证实了精确的跟踪、快速的稳定以及有界的内部信号和控制电压。该方法为延迟机器人系统的基于AI的调优提供了一种解析设计替代方案。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决遥控差速驱动移动机器人在存在执行器动力学和网络诱导延迟的情况下，如何精确调节其航向角的问题。现有的控制方法在处理这种延迟时，往往难以保证系统的稳定性和控制精度，尤其是在需要精确跟踪目标航向角时，性能会显著下降。
核心思路：论文的核心思路是利用模型匹配的思想，设计一个延迟相关的外环控制器，使得闭环系统的行为与期望的模型行为尽可能接近。具体来说，通过引入一个动态可测量输出反馈控制器和一个动态预补偿器，来补偿网络延迟带来的影响，从而实现从航向角指令到实际航向角的精确模型匹配。
技术框架：整体控制框架包含三层：第一层和第二层是非线性控制，用于解耦线速度和角速度，并调节航向；第三层是本文提出的延迟相关的外环控制器，用于实现模型匹配。该外环控制器包括一个动态可测量输出反馈控制器和一个动态预补偿器。整个控制系统的目标是使实际航向角能够精确跟踪期望的航向角指令，同时保证系统的稳定性和鲁棒性。
关键创新：该方法的主要创新在于提出了一种基于模型匹配的延迟补偿控制方案，能够有效地处理网络延迟对遥控机器人航向角控制的影响。与传统的基于AI的调优方法相比，该方法提供了一种解析设计替代方案，避免了复杂的参数调整过程，并能够保证系统的稳定性和性能。
关键设计：关键设计包括：1) 设计合适的动态可测量输出反馈控制器和动态预补偿器，以实现精确的模型匹配；2) 通过参数化方法，将稳定性问题转化为一个特征准多项式的稳定性问题；3) 约束特征准多项式的系数，以保证系统在一定延迟范围内的稳定性。此外，论文还给出了可计算的延迟上界，为实际应用提供了指导。
📊 实验亮点
计算实验结果表明，所提出的控制方法能够实现精确的航向角跟踪，具有快速的稳定性和有界的内部信号和控制电压。与传统的基于AI的调优方法相比，该方法提供了一种解析设计替代方案，避免了复杂的参数调整过程，并能够保证系统的稳定性和性能。实验结果验证了该方法在延迟环境下的有效性。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于各种需要远程控制的差速驱动移动机器人，例如：远程医疗机器人、远程巡检机器人、远程救援机器人等。通过提高机器人在延迟环境下的控制精度和稳定性，可以提升其在复杂环境中的作业能力，降低操作风险，具有重要的实际应用价值和潜在的社会效益。
📄 摘要（原文）
The problem of regulation of the orientation angle of a remotely controlled differential-drive mobile robot with actuator dynamics and network-induced delays is studied. Using a preinstalled two-layer nonlinear control scheme that decouples linear and angular velocities and regulates heading, a third, delay-dependent layer that achieves exact model matching from the orientation angle command to the orientation angle is introduced. The proposed outer loop controller is a delay dependent dynamic measurable output-feedback controller with dynamic proper precompensator. Parameterization yields a simple characteristic quasi-polynomial with coefficients constrained to satisfy stability for all delays up to a computable bound. Computational experiments confirm accurate tracking, fast settling and bounded internal signals and control voltages. The approach offers an analytic design alternative to AI-based tuning for delayed robotic systems.