非完整轮式移动机器人鲁棒轨迹跟踪控制研究

发布时间：2020-08-19 12:59

【摘要】：作为机器人的重要分支,轮式移动机器人相比于传统工业机器人具有更好的灵活性及更广阔的工作空间,因而被广泛应用于工农业生产、教育、娱乐、服务甚至是军事等领域。轮式移动机器人由机器人本体、感知系统、驱动系统、控制系统构成,是一类集感知、决策及控制于一体的高度自动化系统。所谓轨迹跟踪是利用传感器检测回来的机器人状态信息设计跟踪控制律从而实现对给定轨迹的跟踪。跟踪控制是轮式移动机器人实现复杂作业任务的前提,是实现轮式移动机器人控制需要解决的重要问题之一。然而,轮式移动机器人模型具有欠驱动、非线性、强耦合以及多输入多输出等特点。另外,轮式移动机器人系统在工作过程中易受参数变化、地面摩擦力、未建模动态以及外部扰动等不确定性因素的影响。这些都对轮式移动机器人的精确跟踪控制提出了一定的挑战。本文以轮式移动机器人为研究对象,运用滑模控制、保性能控制、扩展状态观测器以及干扰观测器等先进控制方法,对存在未建模动态、外部扰动、轮子打滑以及控制输入信号受限等情况下非完整轮式移动机器人的鲁棒轨迹跟踪控制问题进行了深入研究,提出了一些有效的跟踪控制策略。本文的主要研究工作和成果如下:1.针对执行机构具有输入饱和约束的非完整轮式移动机器人鲁棒轨迹跟踪控制问题,提出了一种抗饱和自适应滑模控制方法。首先设计非线性扩张状态观测器用以估计系统参数摄动和外部扰动等不确定因素,进而基于非线性扩张状态观测器的估计值设计系统抗饱和自适应滑模控制器,从而消除系统参数摄动、外部扰动等因素对控制性能的不利影响,满足执行机构对控制输入信号的饱和约束要求,确保系统输出能够准确跟踪期望信号。逡2.针对存在模型参数摄动和外部有界扰动的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于扩张状态观测器的全阶滑模控制方法。为方便扩张状态观测器的设计,首先通过坐标变换将耦合的系统动力学模型转化为两个独立的子系统;进而将模型参数摄动和外部有界扰动扩张为新的状态变量,分别对两个子系统设计扩张状态观测器用以观测系统型参数摄动和外部有界扰动;然后利用扩张状态观测器的估计值设计全阶滑模控制器。仿真对比结果表明所设计的控制方法可有效解决传统滑模控制中控制信号抖振突出的问题,提高了系统跟踪控制的效果。3.研究了非完整轮式移动机器人的鲁棒有限时间跟踪控制问题。采用非线性扩张状态观测器实现了对系统总和扰动的准确估计,提高系统跟踪控制性能的鲁棒性。非线性扩张状态观测器的增益通过极点配置技术加以确定,简化了非线性扩张状态观测器的参数整定过程。基于系统运动学模型设计广义速度控制律,保证系统位姿跟踪误差的有限时间收敛。最后,结合非线性扩张状态观测器和终端滑模控制技术设计系统动力学有限时间控制律,确保速度跟踪误差的有限时间收敛。4.研究了具有模型参数不确定性及控制输入约束影响下的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪最优保性能控制问题。依据实际机器人与虚拟机器人的相对位姿关系建立了系统轨迹跟踪误差动态模型。采用平衡点线性化方法将非线性形式的轨迹跟踪误差动态模型转换为线性形式的轨迹跟踪误差动态模型。通过线性矩阵不等式处理方法,给出了最优保性能控制器的存在条件及设计方法。5.对存在轮子纵向和侧向打滑情况的非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪控制问题进行了研究,给出一种基于干扰观测器的鲁棒跟踪控制器设计方法。首先建立考虑轮子存在纵向和侧向打滑的非完整轮式移动机器人系统模型;然后设计基于干扰观测器的鲁棒跟踪控制器,并利用Lyapunov稳定性理论证明了闭环系统的稳定性;最后对期望信号分别为常值信号和时变信号的两种不同情况进行了仿真研究,结果表明了所设计控制方法的有效性。最后,对非完整轮式移动机器人鲁棒轨迹跟踪控制的主要研究工作进行了总结,并对后续需要进一步研究的问题进行了展望。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242
【图文】：

轮式移动机器人的典型应用领域

于描述轮式移动机器人在全局坐标系 X O 点在全局坐标系中的位置， 为轮式移动机(即轮式移动机器人的方向角)。这里假设两，即轮式移动机器人的运动满足非完整约束x sin ycos 0 下轮式移动机器人的运动学模型在全局坐标q S (q ) u 2为由轮式移动机器人的线速度和角速度组成换阵，具有如下形式：cos 0( ) sin 00 1S q

浙江工业大学博士学位论文 态观测器态观测器[57-61](ESO)作为自抗扰控制技术的重要组成部分,是一种测器。这种观测器并不依赖于被控对象具体的数学模型，也不需要作用[60-63]。ESO 能够依据轮式移动机器人被控输出信息中反映的扰测的思想，将作用于系统的内部和外部扰动看成系统的总和扰动并状态，利用特殊的反馈机制建立具有扰动实时观测能力的扩张状态总和扰动及状态的观测。扩张状态观测器的基本原理如图 2.2 所示信号；y为系统输出信号；1 2, , ,nz z z为 ESO 对系统n 个状态变量的 对系统总和扰动的观测值。z

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本文编号：2797119