控制第一講-概念初識(shí)

RC控制組暑期培訓(xùn)Part1主講人：梁立言郵箱2431901659@自我介紹2023ROBOCON電控組成員21級(jí)原自動(dòng)化專業(yè)大象主操作手學(xué)習(xí)方向：嵌入式，優(yōu)化控制，運(yùn)動(dòng)控制目錄控制是什么控制應(yīng)該如何進(jìn)行實(shí)例講解課堂演示31控制在做什么？42專業(yè)方面的基礎(chǔ)儲(chǔ)備C/C++程序設(shè)計(jì)單片機(jī)、各種傳感器的相關(guān)知識(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其算法、操作系統(tǒng)、通信原理或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制原理Liunx、ROS3課外實(shí)踐的技能積累完善代碼程序設(shè)計(jì)思想嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)、一定的控制算法經(jīng)驗(yàn)還有各種課本上學(xué)不到的實(shí)踐細(xì)節(jié)如何寫好讓別人能看懂且便于Debug的代碼，比如注釋、分層架構(gòu)等很強(qiáng)大的信息檢索能力，比如各種資料查詢軟件、環(huán)境配置、問題快速定位等各種其它黑科技4發(fā)展前景嵌入式工程師4發(fā)展前景4發(fā)展前景發(fā)論文！走科創(chuàng)！傳感器定位（里程計(jì)＋激光測(cè)距/激光雷達(dá)）10核心思想：模型數(shù)據(jù)+觀測(cè)數(shù)據(jù)的融合，做到更精確定位里程計(jì)類傳感器：由模型的數(shù)據(jù)更新而來，用于確定全局位置，但累計(jì)誤差也大。激光類傳感器：一般誤差更小，精度高，但由于只是起到一個(gè)局部測(cè)距，用于特定位置的全局位置更新。關(guān)鍵詞：機(jī)器人定位、slam技術(shù)、信號(hào)融合算法案例分析之激光輔助定位11利用激光傳感器進(jìn)行位置校準(zhǔn)進(jìn)行偏航校準(zhǔn)傳感器（IMU）12加權(quán)平均法:基于方差的數(shù)據(jù)融合（雙傳感器）卡爾曼（貝葉斯系濾波算法）：僅利用IMU內(nèi)部的數(shù)據(jù)的融合濾波（模型的數(shù)據(jù)+觀測(cè)數(shù)據(jù)）關(guān)鍵詞：濾波方法、狀態(tài)方程、概率論（高斯分布、先驗(yàn)估計(jì)與后驗(yàn)估計(jì)）PS:不管是做濾波開發(fā)還是買現(xiàn)成的高精度傳感器來用，都是在解決一個(gè)迫在眉睫的航向角精度問題！核心思想：本質(zhì)上做的事都是去選擇更相信精度高的數(shù)據(jù)案例分析之傳感器應(yīng)用13利用深度相機(jī)進(jìn)行積木塊的識(shí)別對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與測(cè)距14NUCyolov5Intelrealsense紅藍(lán)frwfryerweryfbwfbyebweby分類、大小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)（運(yùn)動(dòng)解算）15核心思想：將機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為對(duì)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)/控制底盤解算：三輪、四輪、舵輪機(jī)器人DH法建模：描述運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系在世界（固定）參考坐標(biāo)系中的位置和姿態(tài)關(guān)鍵詞：齊次變換矩陣、坐標(biāo)變換、位姿表示、線性代數(shù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)（坐標(biāo)變換）16表示機(jī)器人的配置：機(jī)器人的配置是指機(jī)器人末端執(zhí)行器相對(duì)于基座坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)。通過使用齊次變換矩陣，可以將機(jī)器人的配置用一個(gè)單一的矩陣來表示，而不需要分別使用旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量123。變換坐標(biāo)系：機(jī)器人需要在不同的坐標(biāo)系之間進(jìn)行變換，例如從基座坐標(biāo)系到關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，或從關(guān)節(jié)坐標(biāo)系到末端執(zhí)行器坐標(biāo)系。通過使用齊次變換矩陣，可以將一個(gè)坐標(biāo)系下的點(diǎn)或向量轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系下，只需要進(jìn)行矩陣乘法123。平移或旋轉(zhuǎn)點(diǎn)或向量：機(jī)器人需要對(duì)空間中的點(diǎn)或向量進(jìn)行平移或旋轉(zhuǎn)操作，例如將末端執(zhí)行器沿著某個(gè)方向移動(dòng)一定距離，或?qū)⒛┒藞?zhí)行器繞著某個(gè)軸旋轉(zhuǎn)一定角度。通過使用齊次變換矩陣，可以將這些操作用一個(gè)單一的矩陣來表示，而不需要分別使用平移向量和旋轉(zhuǎn)矩陣123。關(guān)鍵詞：齊次變換矩陣、坐標(biāo)變換、位姿表示、線性代數(shù)其中R是一個(gè)3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，表示剛體相對(duì)于參考坐標(biāo)系的方向，p是一個(gè)3×1的列向量，表示剛體的原點(diǎn)相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置123。核心思想：選擇我們想要的方式表示機(jī)器人的位姿，便于控制路徑規(guī)劃（全局）17核心思想：在已經(jīng)構(gòu)建出來的地圖中規(guī)劃一條理想的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡人工規(guī)劃：在地圖上自行選擇必經(jīng)點(diǎn)，然后通過三次B樣條曲線等方式進(jìn)行曲線自動(dòng)插補(bǔ)，進(jìn)行路徑平滑。算法規(guī)劃：A*、Dijkstra等，MOVE_BASE功能包自行選擇，原理自行了解。關(guān)鍵詞：路徑規(guī)劃算法、路徑平滑算法、曲線插補(bǔ)、路徑規(guī)劃功能包本地路徑實(shí)時(shí)規(guī)劃（路徑跟蹤）18核心思想：控制機(jī)器人盡可能沿規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)。嵌入式：根據(jù)已經(jīng)規(guī)劃出的路徑信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)的速度矢量跟蹤（標(biāo)量與方向）原理，代碼實(shí)現(xiàn)詳見往期代碼與技術(shù)文檔。ROS：根據(jù)local_plan功能包對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)的規(guī)劃與避障，原理自行查找ROS官方文檔關(guān)鍵詞：本地路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、矢量調(diào)節(jié)案例分析之路徑規(guī)劃展示19路徑規(guī)劃與定位復(fù)雜路徑規(guī)劃案例分析之路徑規(guī)劃展示添加頁腳20控制之動(dòng)力學(xué)問題21核心思想：機(jī)器人整體或者構(gòu)件運(yùn)動(dòng)時(shí)位置、速度、力矩的復(fù)合問題。動(dòng)力學(xué)建模分析：想要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行一個(gè)精確的控制，使其有最良好的運(yùn)動(dòng)性能，實(shí)際上應(yīng)該對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，但鑒于對(duì)復(fù)雜機(jī)器人的建模問題非常之復(fù)雜與繁瑣，尤其是DIY產(chǎn)品，故這個(gè)僅作為了解。力矩控制：說白了大多數(shù)情況下對(duì)于電驅(qū)的機(jī)器人而言，力矩控制實(shí)際上可以等同于負(fù)載電流的控制，而實(shí)際上控制問題最終都是在進(jìn)行電流控制。復(fù)合控制：為了實(shí)現(xiàn)實(shí)際中更多需求的控制，比如：機(jī)構(gòu)的位置、運(yùn)動(dòng)、力矩的復(fù)合控制，衍生出來很多的速度+電流控制、位置+電流控制、位置+速度+電流控制。關(guān)鍵詞：動(dòng)力學(xué)建模與控制、現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)、電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制（主要看各種環(huán)是的控制框圖，理解：什么情況應(yīng)該采用何種控制？當(dāng)出現(xiàn)電機(jī)電流過大時(shí)，我們?nèi)绾芜M(jìn)行限流的同時(shí)又保持其良好的負(fù)載能力等實(shí)際問題）、控制之動(dòng)力學(xué)問題（關(guān)于PID、閉環(huán)控制）22核心思想：運(yùn)用PID及其各種變型解決前述中無模型控制問題。純力矩環(huán)閉環(huán)控制：分別理解P、PI控制、PID控制會(huì)有什么樣的效果？特性是什么？復(fù)合閉環(huán)控制：這里涉及電流+速度控制，電流+位置控制以及位置+速度+電流控制，具體的實(shí)現(xiàn)方式是串級(jí)PID/多閉環(huán)控制策略，重點(diǎn)理解如何進(jìn)行復(fù)合控制？外環(huán)是什么？?jī)?nèi)環(huán)是什么？外環(huán)在哪里進(jìn)行限幅可以確保內(nèi)環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全？?jī)?nèi)環(huán)是否需要加限幅？代碼應(yīng)該如何編寫？加前饋的閉環(huán)控制：為什么引入前饋？實(shí)現(xiàn)前饋控制需要知道什么參數(shù)？控制框圖是什么樣的？你覺得在寫代碼的時(shí)候應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)？且有何注意事項(xiàng)？關(guān)鍵詞：經(jīng)典控制理論、電力拖動(dòng)與運(yùn)動(dòng)控制（主要看各種環(huán)是的控制框圖）控制之動(dòng)力學(xué)問題（關(guān)于需要理解的基本原理）23燒電機(jī)的原因電樞電壓固定時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為零，負(fù)載電流會(huì)很大，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)爆電機(jī)的問題，所以在實(shí)際中我們是需要注意對(duì)電樞電流的控制。電樞電流一部分是用于發(fā)熱，一部分用于負(fù)載消耗。在大多數(shù)情況下帶載能力都是負(fù)載電流成正比。而對(duì)于負(fù)載電流的控制本質(zhì)上是對(duì)電壓的控制控制之動(dòng)力學(xué)問題（需要理解的原理框圖）24控制之動(dòng)力學(xué)問題（需要理解的原理框圖）25案例分析之控制方法應(yīng)用26普通雙環(huán)控制綜合應(yīng)用（混合控制）改進(jìn)雙環(huán)控制講點(diǎn)拓展內(nèi)容添加頁腳27參考UP主學(xué)習(xí)：華南小虎隊(duì)（強(qiáng)推，主要更注重實(shí)踐）、Dr.canLQR與MPC等可以用于多目標(biāo)優(yōu)化，特點(diǎn)是計(jì)算量比較大，尤其是MPC，總體控制精度與性能要高與傳統(tǒng)PID，問題主要在算法部署與調(diào)參上。最優(yōu)控制與強(qiáng)化學(xué)習(xí)是目前最有前景之一的發(fā)展方向Ourrecentwork"distributedswarm"featuredinIEEEspectrum|FASTLab()四足機(jī)器人魯棒&高速移動(dòng)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)控制器_嗶哩嗶哩_bilibili經(jīng)驗(yàn)分享28經(jīng)驗(yàn)分享之書目分享29經(jīng)驗(yàn)分享書目分享30經(jīng)驗(yàn)分享書目分享31電控組作業(yè)7.17完成期限：8.1日前（有需要延期的由班委跟我反饋具體時(shí)間）添加頁腳32自行查找資料了解前面所提到的知識(shí)與技術(shù)點(diǎn)（關(guān)鍵詞已經(jīng)幫各位總結(jié)出來了），形成自己的學(xué)習(xí)筆記，筆記中需體現(xiàn)出自己的理解，不要照抄網(wǎng)上內(nèi)容，自己學(xué)習(xí)完某個(gè)知識(shí)點(diǎn)后盡可能用自己的話總結(jié)，格式可以按照第一頁P(yáng)PT。（養(yǎng)成隨時(shí)做學(xué)習(xí)筆記的習(xí)慣，學(xué)院技術(shù)迭代升級(jí)以及面試時(shí)有大用）（傳感器定位、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、路徑規(guī)劃）學(xué)有余力者查找資料了解如何在實(shí)踐中用上這些方法，相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)與交互的方案是怎么樣的？代碼實(shí)現(xiàn)是怎么樣的？給出相應(yīng)的代碼在Github上并且填上實(shí)現(xiàn)