室内移动机器人路径跟踪控制方法研究

发布时间：2020-07-22 08:25

【摘要】：全向轮式移动机器人因自重较轻、承载能力大、结构简单、驱动控制相对方便和朝任意方向移动等优点,被广泛应用到工业生产、服务和人们的日常生活中。例如自助服务的送餐机器人、物流配送的分拣机器人、家庭生活的扫地机器人,它们普遍采用轮式移动底盘,可以在室内环境下实现特定的任务,降低了人工成本,提高了人们的生活水平。在一些复杂作业及危险的工作环境中,轮式移动机器人所体现出来的作用更是无可替代的,因此轮式移动机器人具有很好的学术研究意义和现实应用价值。论文以三轮全向移动机器人为研究对象,主要研究移动机器人的室内路径跟踪控制问题。由于参数扰动和外界干扰等结构性和非结构性因素会影响三轮全向移动机器人的运动性能,会出现移动机器人路径跟踪运动控制精度低,跟踪误差大和跟踪时间长等问题。为解决这些问题,使移动机器人精确地跟踪设定路径和规划路径,本文开展了室内移动机器人路径跟踪控制方法的研究。在分析,借鉴国内外已有的类似文献和研究基础上,作出如下研究:(1)概述了移动机器人和路径跟踪控制方法的国内外研究状况,对当前已有的移动机器人结构和控制方法比较分析,突出了本文研究对象和研究算法的特点。介绍三轮全向移动机器人系统的结构,描述机器人系统常用的两种坐标系和坐标变换,通过运动学分析,阐述了三轮全向移动机器人的运动学和位姿误差模型。(2)通过分析三轮全向移动机器人的运动特性及数学模型,选择基于三轮全向移动机器人系统运动学模型的控制方案,描述了路径跟踪控制系统。初步探讨了A*路径规划算法,利用A*算法进行移动机器人路径规划仿真实验,规划出两条无碰撞最优路径,并把该路径作为参考路径。(3)对室内移动机器人滑模路径跟踪控制算法进行研究,在指数滑模变结构控制方法(ESMC)路径跟踪控制仿真研究的基础上,为有效解决指数趋近律中趋近系数和趋近速率不易调整,趋近速率过大会导致抖振以及指数趋近速度不足的问题,提出一种改进型趋近律的滑模变控制算法(ISMC),用组合函数替换指数趋近律的趋近速率,利用改进趋近律设计滑模控制器,使得控制器输出量相对稳定,并选取合适的Lyapunov函数,证明了此控制方法的稳定性。再对三轮全向移动机器人进行仿真,分析不同路径下路径跟踪的结果,并在相同条件下与指数控制器的仿真结果比较,跟踪误差变小,控制效果改善。(4)在真实室内环境下,利用搭建的三轮全向移动机器人系统将改进的滑模跟踪控制律应用到移动机器人平台上进行跟踪椭圆和实际路径实验。结果表明,在18s内跟踪误差逐渐收敛为0,最大跟踪误差小于50mm,有效减弱滑模固有的抖振问题,更好地实现了移动机器人的路径跟踪控制,验证了改进滑模控制器的有效性和可行性。
【学位授予单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;TP273
【图文】：

移动机器人,路径跟踪控制,速度稳定,路径跟踪

5图 1-1 整体工作图Figure 1-1 Overall work diagram目的有三个：一是在保证线速度和角速度稳定的基任务；二是移动机器人要在路径跟踪过程中体现跟择与改进路径跟踪控制算法，要求算法易于实现，法的有效性。内容是以三轮全向移动机器人为研究对象，通过调制过程中的速度和角速度，确保它们变化的稳定性动机器人对平面内某条参考路径的跟踪并达到理想作安排如下：。介绍了课题的研究背景和意义，综述移动机器人

车轮结构,车轮

述了它的基本结构，通过运动学分析，推导得出三轮全向移动机器人的运动学和位姿误差模型。2.1 轮式移动机器人种类轮式移动机器人种类繁多，分别按照车轮数、运动约束、自由度以及控制方式来分类[28]。（1）按车轮个数划分轮式移动机器人车轮个数通常是两个、三个、四个、六个、或八个滚轮。车轮与地面之前的两种接触为滑动接触、滚动接触。根据是否存在推进力，车轮分为驱动（主动）轮和从动（自位）轮。自位轮沿着旋转轴开始转动，直到旋转结束的时间内，驱动轮会相应产生滑动，但是无法确定移动量和旋转角度。按照单个车轮的自由度又可以把车轮划分为：标准轮、小脚轮、瑞典轮、球形轮。不同车轮如图 2-所示。

全向,移动机器人

由度划分为差速轮式(differential-drive)移机器人。差速轮式移动机器人的运动效率并且车轮的运动方向会受到限制。全方位自由度的平面运动，一般情况下适用于高分有：程序数值控制式、示教再现式、遥控机器人采用的都是自主控制式。机器人结构人的结构如图 2-2 所示，包括车体、车轮、机构。

【相似文献】