全向轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究

论文摘要

近年来,全向移动机器人的轨迹跟踪控制问题得到了广泛的重视。本文以东北大学自主开发的全向轮式移动机器人作为研究对象,建立其运动学和动力学模型。分析了其运动特征,选择了基于运动学模型分层控制方案对全向轮式移动机器人进行轨迹跟踪控制。重点围绕模糊控制、滑模变结构控制、准滑模控制、模糊趋近律滑模变结构控制等方法在轨迹跟踪控制器设计中的应用展开研究。本论文的主要工作和取得研究成果有：首先,阐述了全向轮式移动机器人的结构设计特点,利用坐标变换方法建立移动机器人的运动学和动力学模型,根据全向轮式移动机器人的运动特性选择了基于运动学模型分层控制作为其轨迹跟踪控制的设计方案。其次,以全向轮式移动机器人的运动学模型作为控制对象,以线速度和角速度为控制输入,设计了几种控制器并通过仿真验证了设计方法的正确性。(1)设计了模糊控制器对全向轮式移动机器人进行轨迹跟踪控制,实现了对期望轨迹的跟踪控制。(2)为了提高系统的鲁棒性,设计了滑模变结构控制器,有效的克服外界不确定的干扰,并进行了相应的仿真证明设计的有效性和可行性。(3)为了减弱滑模变结构控制器中的抖振,采用了连续函数代替了原来的符号函数,设计了准滑模控制器,通过仿真证明其能够很好的减弱抖振。然后,针对基于运动学模型描述的全向轮式移动机器人系统,研究了模糊趋近律滑模变结构控制轨迹跟踪控制器,对线速度和角速度均为匀速的圆轨迹在有限时间内实现完全跟踪。这种控制器保留了模糊控制与滑模变结构控制的优点,既能对机器人这个多输入多输出、高度耦合的非线性系统能很好的控制,也能减弱滑模控制器中的抖振,具有良好的鲁棒性。最后,对本文所做的工作进行总结,并提出展望,指出有待进一步研究的方向和问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究意义
• 1.2 移动机器人国内外研究现状
• 1.2.1 国外移动机器人发展状况
• 1.2.2 国内移动机器人发展状况
• 1.3 移动机器人轨迹跟踪控制问题
• 1.3.1 移动机器人轨迹跟踪控制研究现状
• 1.3.2 移动机器人轨迹跟踪控制未来发展趋势
• 1.4 本文主要工作和内容安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 全向轮式移动机器人的系统概述
• 2.1 全向轮式移动机器人的结构设计
• 2.1.1 全向轮式移动机器人底盘结构设计
• 2.1.2 特殊全向轮的设计
• 2.1.3 全向轮式移动机器人的车体布局与电机选取
• 2.2 全向轮式移动机器人的数学模型
• 2.2.1 全向轮式移动机器人运动学模型
• 2.2.2 全向轮式移动机器人动力学模型
• 2.3 全向轮式移动机器人运动系统控制方案的选择
• 2.3.1 基于运动学模型的分层控制分析
• 2.3.2 基于动力学模型的分层控制分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 全向移动机器人轨迹跟踪控制算法
• 3.1 基于模糊控制的全向轮式移动机器人轨迹跟踪控制算法
• 3.1.1 模糊控制的特点
• 3.1.2 模糊控制的基本原理
• 3.1.3 全向轮式移动机器人系统模糊控制器的设计
• 3.1.4 仿真与实验结果分析
• 3.2 基于滑模变结构控制的全向移动机器人轨迹跟踪控制算法
• 3.2.1 滑模变结构控制的特点
• 3.2.2 滑模变结构控制的基本原理
• 3.2.3 滑模变结构控制器的设计
• 3.2.4 仿真与实验结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于模糊滑模的全向轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究
• 4.1 模糊滑模变结构控制的特点
• 4.2 基于模糊趋近律的滑模变结构控制器设计
• 4.2.1 趋近律及其性质分析
• 4.2.2 滑模控制器设计
• 4.2.3 模糊控制器设计
• 4.3 仿真与实验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢