作者：呂朝陽 來源：知乎
對(duì)于工科領(lǐng)域來說，脫離實(shí)踐的學(xué)習(xí)都是膚淺的，對(duì)于控制這種強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)更是如此。如果去問一個(gè)程序員怎么學(xué)習(xí)一塊技術(shù)，他必然讓你去多編程。機(jī)器人領(lǐng)域也是。如果想把基本功打扎實(shí)，那么實(shí)踐更是必不可少了。
對(duì)于普通學(xué)生入門來說 一款合適的機(jī)器人平臺(tái) + 入門級(jí)的控制算法進(jìn)行試驗(yàn)。同時(shí)深入地學(xué)習(xí)相應(yīng)地理論知識(shí)。
對(duì)于一個(gè)有控制基礎(chǔ)，需要現(xiàn)學(xué)現(xiàn)用的工作者來說，啃一本諸如《現(xiàn)代控制工程》的書籍，在工作者演練，下面的平臺(tái)內(nèi)容直接略過。
關(guān)于平臺(tái)的選擇和相應(yīng)的學(xué)習(xí)教程，我放在最后，防止大圖分散了重點(diǎn)。先結(jié)合機(jī)器人來說一下控制。對(duì)于設(shè)計(jì)任何一個(gè)控制系統(tǒng)來說，需要了解自己的輸入、輸出、控制元件，和算法。在一個(gè)簡易的機(jī)器人系統(tǒng)里，分別對(duì)應(yīng)的原件是：
輸入 --- 傳感器 （聲吶，紅外，攝像頭，陀螺儀，加速度計(jì)，羅盤）
控制元件 --- 電機(jī)
控制算法 --- 控制板 （小到單片機(jī)，大到微機(jī)）
輸出 --- 你的控制目標(biāo) （比如機(jī)器人的路徑跟蹤）
對(duì)這四方面都有了解之后，才能基本對(duì)機(jī)器人的控制有一個(gè)較為感性的認(rèn)識(shí)。這是入門的基礎(chǔ)。如果你對(duì)輸入和輸出做一個(gè)測(cè)量，比如用電機(jī)將某個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速從10加速到100，把這個(gè)測(cè)量勾畫出來，那么這一個(gè)響應(yīng)曲線。如何將電機(jī)準(zhǔn)確快速地從10加速到100，這就需要一個(gè)簡易的反饋控制器。
上面所說的各個(gè)傳感器元件，都有廉價(jià)版可以購買學(xué)習(xí)，但隨之引入的問題就是他們不精確，比如有噪聲。消除這個(gè)噪聲，你就需要在你的控制系統(tǒng)中引入更多的控制單元來消除這個(gè)噪聲，比如加入濾波單元。上面說這么多，只是想表達(dá)，理論和算法都是有應(yīng)用背景的，但同時(shí)，學(xué)習(xí)一些暫時(shí)無法應(yīng)用的算法也并不助于入門，甚至可能走偏門，覺得越復(fù)雜越好。所有的工程應(yīng)用者都會(huì)說某某算法非常好，但是經(jīng)典還是PID。倘若不親手設(shè)計(jì)一個(gè)PID系統(tǒng)，恐怕真的領(lǐng)略不到它的魅力。我大學(xué)本科的控制課程包含了自動(dòng)控制理論和現(xiàn)代控制理論，但是直到我設(shè)計(jì)一個(gè)四旋翼無人機(jī)的時(shí)候，才真正建立了我自己對(duì)機(jī)器人控制的理解。《現(xiàn)代控制工程》是一本非常經(jīng)典的專業(yè)書籍，需要理論知識(shí)，再進(jìn)行詳細(xì)的學(xué)習(xí)。我的建議是先玩，玩到需要時(shí)，認(rèn)真學(xué)習(xí)這部分理論。
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推薦一些機(jī)器人平臺(tái)。核心都涉及到運(yùn)動(dòng)控制。
基于arduino的機(jī)器人平臺(tái)是最大眾的平臺(tái)了，這是一個(gè)開源社區(qū)，很多關(guān)于機(jī)器人的簡易設(shè)計(jì)和控制算法實(shí)現(xiàn)都能在google得到。淘寶arduino機(jī)器人，包括arduino控制板和各類簡易傳感器，幾百塊之內(nèi)錢都能得到。
MultiWii是一個(gè)基于arduino的開源飛控平臺(tái)，所有c代碼都可得，不多于一兩萬行。如果把這些都研究透了，相比已經(jīng)是專業(yè)水平了。
二
作者：賀磊 來源：知乎
首先，應(yīng)當(dāng)了解到：機(jī)器人控制（Robot Control）的目的是通過人工引入控制改善原有系統(tǒng)的特性，使新的系統(tǒng)：1）跟蹤性能（Tracking Performance）更好，2）抗擾動(dòng)性（Diturbance Rejection）更強(qiáng)，3）穩(wěn)健性（Robustness）更優(yōu)，e.t.c.
機(jī)器人控制器大致可以分為硬件和算法兩個(gè)大方向：
機(jī)器人控制硬件
基本控制結(jié)構(gòu)：當(dāng)年，N. Wiener對(duì)神經(jīng)科學(xué)很感興趣，發(fā)現(xiàn)其實(shí)機(jī)器的反饋控制和人的運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理是相似的。控制工程中的：傳感器（各種位置、速度、力傳感器等）、控制器（各種處理器以及控制算法）和驅(qū)動(dòng)器（電機(jī)、液壓、氣動(dòng)、記憶合金等）三部分，分別對(duì)應(yīng)于人的感受器（receptor）（例如：視覺、聽覺、味覺、嗅覺、觸覺等外感受器）、神經(jīng)系統(tǒng)（中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)）和效應(yīng)器（effector）（肌肉、骨骼），只不過人的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。
層次控制體系：了解了控制的基本結(jié)構(gòu)，剩下的事情就是設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)。如今，大家設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方法還是比較統(tǒng)一的，基本都可以歸結(jié)為5層的層次體系：1）主機(jī)（Host），2）運(yùn)動(dòng)控制器（Motion Controller），3）伺服驅(qū)動(dòng)器（Servo Driver），4）電機(jī)（Motor），5）機(jī)構(gòu)（Mechanism ）。
主機(jī)：主要完成人機(jī)交互（操作員控制或者調(diào)試機(jī)器），高級(jí)運(yùn)算（機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等）。由于需要高等運(yùn)算功能，這部分算法通常是基于操作系統(tǒng)的，硬件載體用通用計(jì)算機(jī)即可。
運(yùn)動(dòng)控制器：主要用于改善機(jī)器人動(dòng)力學(xué)（Robot Dynamics）。機(jī)器人的機(jī)械本身并不具備跟蹤軌跡的能力，需要外加控制來改善。由于需要大量的實(shí)時(shí)運(yùn)算，這部分通常是基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，比如QNX等，硬件載體可以用ARM或其他。比如，工業(yè)界的工業(yè)機(jī)器人主要使用運(yùn)動(dòng)反饋（Motion Feedback），也即將驅(qū)動(dòng)器配置為位置控制或者速度控制模式，此時(shí)運(yùn)動(dòng)控制器的主要用于補(bǔ)償傳動(dòng)系統(tǒng)非線性性，例如：由于齒輪間隙、微小彈性變形導(dǎo)致的末端偏移。
伺服驅(qū)動(dòng)器：主要用于改善電機(jī)動(dòng)力學(xué)（Motor Dynamics）。由于電機(jī)本身物理特性并不具備良好的位置、速度和力矩跟蹤能力，因此需要依靠控制來改善。這部分需要更高的實(shí)時(shí)性能，因?yàn)殡姍C(jī)的響應(yīng)速度快，需要us級(jí)定時(shí)，所以可以使用高性能DSP。比如，直流有刷電機(jī)中轉(zhuǎn)子速度正比于反向電動(dòng)勢(shì)、力矩正比于電樞電流，而沒有物理量能夠直接控制位置，此時(shí)需要外加位置控制器。
電機(jī)：充當(dāng)執(zhí)行器，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)。
機(jī)械本體：被控制的終極對(duì)象。
算法的編寫：鑒于如今幾乎沒人再用Op-Amp搭建模擬計(jì)算機(jī)的事實(shí)，可以說算法就是個(gè)編程問題。基本的編程語言能力，比如MATLAB、C、C++是必須的。設(shè)計(jì)好算法之后，還需面對(duì)另外幾個(gè)問題：
離散化問題（Discretization）：連續(xù)算法的離散化是必要的，因?yàn)槿缃裼?jì)算機(jī)都是數(shù)字系統(tǒng)。對(duì)于線性系統(tǒng)，比如電機(jī)控制，方法當(dāng)然就是從s域（傳遞函數(shù)）到z域（Z變換）再到t域（差分方程）的變換，非線性的就得研究微分方程的各種數(shù)值方法了。
混合控制問題（Hybrid Control）：幾乎當(dāng)前所有的機(jī)器人控制系統(tǒng)都不僅有一個(gè)控制模式，比如：回初始位置、運(yùn)動(dòng)控制模式、人工試教模式等等，每個(gè)模式需要特殊的控制算法。單個(gè)系統(tǒng)存在多個(gè)控制器時(shí)被稱為混合控制系統(tǒng)，混合控制系統(tǒng)常常使用有限狀態(tài)機(jī)（Finite State Machine, FSM）建模，狀態(tài)機(jī)的切換需注意一些問題，比如芝諾問題。
通信問題（Communication）：通常機(jī)器人系統(tǒng)都包含幾十個(gè)，甚至上百個(gè)傳感器以及幾個(gè)到十幾個(gè)驅(qū)動(dòng)器，通信時(shí)常是個(gè)頭疼的問題。問題的復(fù)雜性源于：通信對(duì)象多（并發(fā)問題），順序需要協(xié)調(diào)（時(shí)序問題），通信的速率需要兼顧（阻塞問題）。個(gè)人傾向于使用基于“事件驅(qū)動(dòng)模型”+“有限狀態(tài)機(jī)模型”的混合模型來處理此類問題。
機(jī)器人控制理論：控制方法千奇百怪，這里僅舉機(jī)器人臂的兩個(gè)比較經(jīng)典而常用的方法：混合力位控制和阻抗控制。
混合力/位控制（Hybrid Force/Position Control）是Mark Raibert（現(xiàn)今Boston Dynamics老板）和John Craig于70s末在JPL的工作成果，當(dāng)時(shí)他們是在Stanford臂上做的實(shí)驗(yàn)，研究例如裝配等任務(wù)時(shí)的力和位置同時(shí)控制的情況。
阻抗控制（Impedance Control）是N.Hogan的工作成果。維納晚年，對(duì)人控制機(jī)器臂很感興趣。后來，他組織了MIT的Robert Mann，Stephen Jacobsen等一伙人開發(fā)了基于肌肉電信號(hào)控制的假肢臂，叫Boston Elbow。后來，Hogan繼續(xù)Mann的工作，他覺得假肢是給人用的，不應(yīng)當(dāng)和工業(yè)機(jī)器人一樣具有高的剛度，而應(yīng)該具有柔性，所以后來引入了阻抗。
其他控制。
建議：自己也在鉆研，共同學(xué)習(xí)吧。
首先，把描述機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)搞定。J.J. Craig出版于80s的《Introduction to Robotics: Mechanics and Control 》，或者R. Murray出版于90s的《A Mathematical Introduction to Robotic Manipulation》都行。對(duì)于機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，最新的成就是基于Differentiable Manifold（微分流形）、Lie group（李群）和Screw Theory（旋量理論）的。在這方面，個(gè)人認(rèn)為以下研究團(tuán)隊(duì)奠定了機(jī)器人的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論：
1) Harvard的Roger Brokett教授及其學(xué)生Frank Chongwoo Park等；
2) UC Berkeley的Shankar Sastry教授及其學(xué)生Richard Murray，Zexiang Li等。
3) uPenn的Vijay Kumar教授，他和他的學(xué)生Milos Zefran以及Calin Belta在90年代研究了基于Differentiable Manifold的單剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。
4）上述2）中Richard Murray的學(xué)生Andrew Lewis和Francesco Bullo等研究了基于differentiable manifold和Lagrange Mechanics的機(jī)器人動(dòng)力學(xué)以及幾何控制理論（Geometric Control Theory）。
再次，必要的反饋控制基礎(chǔ)當(dāng)然是不能少的。關(guān)于控制，并不推薦把下面的教材通讀一遍，僅需要了解必要的控制理念即可。陷入繁雜的細(xì)節(jié)往往不得要領(lǐng)，并浪費(fèi)時(shí)間。具體的問題需要研讀論文。
首先，要建立控制理論的基本概念，如狀態(tài)方程、傳遞函數(shù)、前饋、反饋、穩(wěn)定性等等，推薦Stanford大學(xué)教授Franklin的《Feedback Control of Dynamic Systems》；
關(guān)于機(jī)器人控制的入門讀物，解釋的最清晰的當(dāng)屬M(fèi)W Spong的《Robot modeling and control》，書中不僅詳細(xì)講解了基于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的控制，也講解了執(zhí)行器動(dòng)力學(xué)與控制(也即電機(jī)控制)。
關(guān)于非線性控制理論，推薦MIT教授J.J.E. Slotine的《Applied Nonlinear Control》。
