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非完整移动机器人的鲁棒控制研究

胡终须  
【摘要】:近年来非完整控制系统的理论与应用研究受到越来越广泛的关注,它的应用涉及到受限机器人、空间飞行器等许多领域,开展对它的研究在工业和国防等方面有着深刻的意义。 在863计划(9805-19)的资助下,本论文在综述了非完整移动机器人系统的研究背景及国内外研究进展的基础上,对非完整移动机器人系统的稳定问题进行了初步研究;在具有不确定性,主要是参数不确定性的情况下,对系统的鲁棒轨迹跟踪控制问题进行了较为深入的研究和试验,分别针对系统的运动学模型、动力学模型、以及考虑执行机构动力学这三种情形研究了相应的滑动模控制和自适应控制方法;为了开展试验研究,检验不同控制算法的有效性和特点,设计加工了一个两轮驱动的三轮移动机器人试验平台,设计了以PC机作为控制运算核心、直流伺服系统、以及其它外围接口电路组成的机器人控制系统,并且在此试验装置上进行了相应的试验。 非完整系统的一个重要特性是,对于系统稳定问题不存在时不变的光滑状态反馈控制将系统稳定到一单个平衡点,或者采用时变方法如周期函数等,或者采用不连续的状态反馈如变结构控制。本论文第二章设计了一种分段反馈控制,将系统由任意初始状态稳定到单个平衡点。 对于移动机器人的运动模型,参数不确定性主要来自车轮的半径,因为在实际应用中,车轮总是与地面发生摩擦而造成磨损,而且车轮外围总是围绕着一圈橡胶以减少震动,由于车身的重量不可避免地会造成车轮的变形。本文第三章针对移动机器人的运动模型中存在参数不确定性的情况时的鲁棒轨迹跟踪问题,分别设计了变结构控制律和自适应控制律。 移动机器人的动态模型中除了上面的车轮半径等结构参数外,还包含了负载质量、转动惯量等惯性参数,机器人的质量经常因为负载不同而发生较大的变化,系统的转动惯量更是很难精确计算,并且不同负载其转动惯量也不一样。论文第四章针对移动机器人的动态模型,在结构参数和惯性参数未知的情况下,设计了一种鲁棒变结构控制律使得系统输出轨迹跟踪给定轨迹。


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