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《重庆大学》 2012年
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复杂环境下不确定轮式移动机器人运动控制的研究

崔明月  
【摘要】:机器人运动控制是指借助实时反馈的传感器感知的环境及自身状态信息,控制机器人跟踪期望轨迹或者到达指定的目标位姿。近年来,随着轮式移动机器人在安防监控、危险场所巡检、外星球探测、家庭服务等领域应用的日益广泛,逐渐成为机器人研究的热点。与传统的工业机器人相比,实际复杂环境下工作的轮式移动机器人的最大不同之处在于它具有非常复杂的不确定性及环境干扰。因此,传统的基于精确模型的反馈控制律在实际应用中存在很大的局限性,这需要对移动机器人运动控制策略进行全新的分析与设计。因此,针对轮式移动机器人系统的各种不确定因素,研究复杂环境下移动机器人运动控制器的设计与分析,是机器人自动控制领域一个极具挑战性的问题。 论文针对复杂环境下轮式移动机器人的不确定性,包括运动学模型参数不确定性、动力学模型参数不确定性、系统受到的外部干扰、实际环境下的轮子滑动干扰,围绕轮式移动机器人运动控制方法展开研究,主要包括轮子不打滑条件下和轮子打滑条件下的移动机器人跟踪控制器设计。在轮子不打滑条件下,一方面基于运动学模型,通过选择PID型切换函数,设计一种基于干扰观测器的自适应滑模控制器;另一方面基于动力学模型,应用Backstepping技术和非线性数字滤波器技术,设计移动机器人的跟踪控制器。在轮子打滑条件下,当车轮产生纵向打滑时,建立相应的移动机器人运动学模型,利用Backstepping技术与Lyapunov直接法设计轮式移动机器人的轨迹跟踪控制器与未知滑动参数的自适应更新律;当车轮既发生纵向打滑又发生侧向打滑时,基于纵向与侧向滑动参数未知的移动机器人运动学模型,通过设计非线性滑模观测器,提出一种光滑时变的镇定控制算法与控制参数在线整定方法,实现对移动机器人的有效控制。最后,基于运动学模型,研究了有障碍物环境下轮子打滑移动机器人跟踪与避障统一控制器的设计问题。 论文的主要工作概括如下: ①轮子不打滑条件下,基于路径偏差的运动学模型,研究参数不确定及存在外部干扰的轮式移动机器人的自适应跟踪控制问题。 当移动机器人在复杂的环境工作时,系统参数的摄动及外部干扰对系统性能的影响是不可避免的。针对参数不确定及存在未知外部扰动的移动机器人的轨迹跟踪问题,设计自适应滑模控制器。建立不确定非线性运动学模型,通过改进的线性扩张状态观测器对系统的总的不确定项进行在线估计,运用状态反馈控制的相关理论对轮式移动机器人系统进行输入—输出变换处理,通过选择适当的PID型切换函数,设计切换增益可实时在线调整的自适应滑模控制器,并进行相应的稳定性分析。通过与传统滑模控制器控制进行仿真对比,结果表明提出的自适应滑模控制器能较好地补偿系统参数摄动与外部扰动的影响,提高了移动机器人的轨迹跟踪性能和鲁棒性。 ②轮子不打滑条件下,基于机器人动力学模型,研究参数不确定轮式移动机器人的跟踪控制问题。 针对动力学模型参数不确定的轮式移动机器人的轨迹跟踪问题,设计自适应跟踪控制器。基于移动机器人的动力学模型,采用Backstepping积分方法,通过逐步递推选择适当的Lyapunov函数,设计基于状态反馈的自适应跟踪控制器,并进行了相应的稳定性分析。通过与传统PID控制进行仿真对比,结果表明提出的自适应控制策略能较好地补偿系统参数摄动的影响,提高了移动机器人的轨迹跟踪性能和鲁棒性。 ③轮子纵向打滑条件下,研究滑动参数未知的移动机器人的自适应跟踪控制问题。 针对纵向滑动参数未知的轮式移动机器人的轨迹跟踪问题,提出了一种自适应跟踪控制策略。首先,利用两个滑动参数来描述移动机器人左右轮的纵向打滑程度,建立了产生纵向滑动的差分驱动轮式移动机器人的运动学模型;设计了补偿纵向打滑的自适应非线性反馈控制律;应用Lyapunov稳定性理论与Barbalat定理证明了闭环系统的稳定性;同时,提出了一种基于极点配置方法的控制器增益在线调整策略,仿真结果证明了本文所提出控制方法的有效性。 ④车轮既发生纵向打滑又发生侧向打滑条件下,研究滑动参数的在线估计方法与移动机器人的跟踪控制器的设计方法。 在工作③的研究基础上,针对轮子既发生纵向打滑又发生侧向打滑的情况,提出了一种滑动参数的在线估计方法与自适应跟踪控制策略。首先,利用三个滑动参数描述移动机器人左右轮的纵向打滑与侧向打滑程度,建立了发生纵向与侧向打滑的差分驱动轮式移动机器人的运动学模型;应用滑模观测器对三个未知的滑动参数进行在线估计;随后基于Lyapunov稳定理论及Backstepping方法设计跟踪控制器,然后通过Lyapunov稳定性理论及Barbalat定理分析了系统误差收敛性问题,同时为了减少控制参数调整的盲目性与复杂性,提出了一种基于极点配置方法的在线整定算法。仿真结果证明了所提出控制方法的有效性与鲁棒性。 ⑤轮子打滑条件下,研究跟踪与避障统一控制器的设计问题。 在工作④的研究基础上,基于轮子打滑条件下移动机器人运动学模型,运用滑模观测器对未知的滑动参数进行在线估计。考虑轮子打滑条件下障碍物对移动机器人跟踪控制的影响,将势函数避障法与Lyapunov设计法相结合设计机器人的跟踪与避障统一控制器,它可以克服轮子打滑的影响,既能够控制移动机器人跟踪跟定轨迹又能够避开障碍物。理论分析、仿真结果均证实了这种统一控制方法的有效性。 综上所述,本文深入研究了复杂环境下不确定轮式移动机器人运动控制方法,系统地讨论了不确定轮式移动机器人的建模方法、滑动参数的在线辨识、跟踪控制器的设计、系统稳定性分析等关键问题,提出了不确定移动机器人几种自适应控制控制方法,理论分析和仿真实验均验证了上述工作的有效性。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TP242

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