非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制研究.pdf

1、近年來(lái)隨著科技進(jìn)步,通過(guò)利用移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行探測(cè)和開發(fā),人類的研究領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)展。將移動(dòng)機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),人們可以對(duì)人類思維模式進(jìn)行探索,研究復(fù)雜智能體行為的產(chǎn)生。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題涉及到認(rèn)知科學(xué)、模式識(shí)別、非線性控制等領(lǐng)域,所得到的成果也將帶動(dòng)軍事、交通、工業(yè)等機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。本文以輪式移動(dòng)機(jī)器人作為研究對(duì)象,重點(diǎn)研究移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題,主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:
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2、.研究非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制問(wèn)題。不同于路徑跟蹤問(wèn)題,軌跡跟蹤控制不僅具有空間位置要求,同時(shí)具有時(shí)間要求,即在特定的時(shí)間到達(dá)特定的位置,使機(jī)器人跟蹤一條以時(shí)間為參數(shù)的軌跡。本文提出一種不存在控制奇異點(diǎn)的軌跡跟蹤方法。該方法并不是直接跟蹤姿態(tài)角,而是根據(jù)當(dāng)前的側(cè)向誤差設(shè)計(jì)一個(gè)引導(dǎo)角作為期望姿態(tài),隨著側(cè)向誤差的收斂該引導(dǎo)角也逐漸趨向于姿態(tài)角,以此實(shí)現(xiàn)位姿跟蹤。將引導(dǎo)角作為虛擬輸入,結(jié)合Backstepping方法設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)機(jī)

3、器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的軌跡跟蹤控制律,并給出了參數(shù)選取條件,然后將基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的控制律進(jìn)行擴(kuò)展,考慮到外部擾動(dòng)的影響,設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力學(xué)模型的控制律。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制律的有效性。
　　2.研究非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人的路徑跟蹤控制問(wèn)題。路徑跟蹤的目標(biāo)是控制移動(dòng)機(jī)器人跟蹤一條幾何曲線而無(wú)時(shí)間要求。提出一種跟蹤參數(shù)曲線路徑的方法。以路徑上期望位置為原點(diǎn)建立路徑坐標(biāo)系,并在路徑坐標(biāo)系中計(jì)算跟蹤誤差,設(shè)計(jì)一個(gè)引導(dǎo)角作為期望的角度誤差,

4、可以使側(cè)向誤差隨著角度誤差一起收斂,結(jié)合Backstepping設(shè)計(jì)了路徑跟蹤控制律以及路徑參數(shù)的更新律,并分析了參數(shù)選取應(yīng)滿足的條件,可以使跟蹤誤差收斂。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出方法的有效性。
　　3.研究了包含模型不確定性的輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。由于移動(dòng)機(jī)器人的物理參數(shù)難以精確測(cè)定,因此首先假設(shè)除了車輪半徑和和兩驅(qū)動(dòng)輪間距外,機(jī)器人其余的物理參數(shù)均為未知,基于模糊系統(tǒng)逼近非線性函數(shù)的能力解決模型不確定性帶來(lái)的困難,并以

5、移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制為例,設(shè)計(jì)了控制律和模糊系統(tǒng)權(quán)值矩陣的更新律,通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出方法的有效性。然后進(jìn)一步假設(shè)機(jī)器人所有物理參數(shù)均為未知,結(jié)合自適應(yīng)Baskstepping和模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)了軌跡跟蹤控制律、未知參數(shù)的自適應(yīng)律和模糊系統(tǒng)權(quán)值矩陣的更新律,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了所提出方法的有效性。
　　4.提出一種改進(jìn)的考慮加速度限制的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。在移動(dòng)機(jī)器人跟蹤預(yù)先規(guī)劃軌跡的過(guò)程中,不可避免會(huì)產(chǎn)生跟蹤誤差。導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的

6、原因之一是規(guī)劃路徑的曲率不連續(xù),產(chǎn)生跟蹤誤差的另一個(gè)原因是車輪的打滑和側(cè)滑。在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,車輪與地面間的最大摩擦力決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度限制。包括機(jī)器人加速減速運(yùn)動(dòng)時(shí)的切向加速度及曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)的側(cè)向加速度。當(dāng)加速度超出限制時(shí),輪胎與地面間發(fā)生滑移,產(chǎn)生跟蹤誤差。給定規(guī)劃起止位姿和速度,首先基于三次Bezier曲線進(jìn)行了路徑的規(guī)劃。然后根據(jù)受到的最大加速度限制規(guī)劃時(shí)間最優(yōu)的最大允許速度軌線。對(duì)于可能會(huì)出現(xiàn)的規(guī)劃速度軌線在起