非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制方法研究.pdf

1、在輪式移動(dòng)機(jī)器人(WMR,wheeled mobile robot)運(yùn)動(dòng)控制的理論研究中,一般假設(shè)車輪只發(fā)生純滾動(dòng)不滑動(dòng),故移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受到約束,這種理想約束本質(zhì)上是一種非完整約束,這使輪式移動(dòng)機(jī)器人成為非完整系統(tǒng)的典型實(shí)例。因此,對(duì)以輪式移動(dòng)機(jī)器人為代表的非完整控制系統(tǒng)展開研究具有重要的實(shí)用價(jià)值和理論意義。
　　 本文在參閱和總結(jié)大量的文獻(xiàn)基礎(chǔ)上,對(duì)包括軌跡跟蹤和點(diǎn)鎮(zhèn)定的WMR運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。論文的主要研究?jī)?nèi)容

2、有以下幾個(gè)方面:
　　 研究了滑膜變結(jié)構(gòu)控制理論在輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的應(yīng)用,提出了兩種控制方法。
　　 其一,提出一種在二維極坐標(biāo)系下基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人的滑模控制方法。在極坐標(biāo)系下,根據(jù)位置和方向選擇兩個(gè)滑動(dòng)面,消除了機(jī)器人的位姿約束?；谶@兩個(gè)滑動(dòng)面,設(shè)計(jì)了兩個(gè)控制器,分別為位置控制器和方向控制器。一個(gè)用來(lái)保證即使有方向誤差存在的情況下,當(dāng)位置誤差存在或參考軌跡移動(dòng)時(shí)的漸近位置跟蹤;另一個(gè)是保證

3、當(dāng)位置跟蹤誤差足夠小并且參考軌跡靜止時(shí)的漸近方向跟蹤。通過(guò)兩個(gè)控制器的聯(lián)合作用,完成了除原點(diǎn)任意小鄰域外的全局范圍的對(duì)參考軌跡的漸近跟蹤。消除了對(duì)期望的機(jī)器人線速度和角速度的約束還有位姿約束。做了穩(wěn)定性的分析之后,通過(guò)仿真驗(yàn)證了控制方法的可執(zhí)行性。
　　 其二,研究了輪式移動(dòng)機(jī)器人的魯棒鎮(zhèn)定和跟蹤問(wèn)題。定義了一個(gè)全局可逆變換,將移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)換為一個(gè)利于分析的擴(kuò)展Heisenberg系統(tǒng)形式。然后根據(jù)不確定因素存在的兩

4、種情況,基于此系統(tǒng)形式設(shè)計(jì)了兩個(gè)魯棒積分滑膜控制器。一是基于一階積分滑膜的控制器,消除了系統(tǒng)具有的匹配不確定因素的影響;二是推廣積分滑膜的思想,設(shè)計(jì)了一個(gè)二階積分滑膜控制器,消除了匹配和不匹配不確定性對(duì)系統(tǒng)的影響。解決了具有漂移不確定因素的以Heisenberg系統(tǒng)形式表現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤和鎮(zhèn)定問(wèn)題。并且突出強(qiáng)調(diào)了一個(gè)令人關(guān)注的積分滑動(dòng)模態(tài):它可以避開一些出現(xiàn)在傳統(tǒng)滑膜控制到達(dá)階段的控制奇異點(diǎn)。
　　 模型預(yù)測(cè)控制(mod

5、e predictive control,MPC)固有的處理具有約束系統(tǒng)的能力使它在非完整移動(dòng)機(jī)器人的控制中很有前途。本文提出了一個(gè)針對(duì)非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤和點(diǎn)鎮(zhèn)定問(wèn)題的初始狀態(tài)收縮模型預(yù)測(cè)控制(FSC-MPC)算法。通過(guò)附加一個(gè)初始狀態(tài)收縮約束保證了所提出的MPC策略的指數(shù)穩(wěn)定性。另外,同其他文獻(xiàn)中的控制器相比,所提出的FSC-MPC算法還具有同時(shí)跟蹤和鎮(zhèn)定的能力。仿真結(jié)果表明,FSC-MPC控制器能夠得到令人滿意的系統(tǒng)響應(yīng)。

6、
　　 設(shè)計(jì)了一種全局輸出反饋控制器,在轉(zhuǎn)矩層面解決了輪式移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)跟蹤和鎮(zhèn)定的問(wèn)題。首先通過(guò)一個(gè)坐標(biāo)變換消除了機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型中的二次速度項(xiàng),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的觀測(cè)器,重構(gòu)了系統(tǒng)的狀態(tài),以滿足在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮的要用力或力矩來(lái)作為系統(tǒng)的實(shí)際控制輸入條件。然后分兩步設(shè)計(jì)了控制器?？刂破鞯木C合是基于坐標(biāo)變換、Lyapunov直接法和backstepping技術(shù)的。對(duì)系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析后,通過(guò)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有