拖挂式移动机器人反馈镇定与反向运动控制研究

摘要

目前，非完整系统的运动控制问题已经成为机器人运动控制理论研究的重要内容。作为一个非完整系统，拖挂式移动机器人一方面具有移动机器人的运动能力，另一方面可以拓展移动机器人的其它功能，如复杂和危险环境下的货物运输、飞机或火车货物中转等，因而具有重要的实际应用价值。拖挂式移动机器人的运动控制问题已经成为国内外控制理论研究的重要对象。与一般的欠驱动系统如轮式车型机器人、水面船舶、空间飞行器等相比，拖挂式移动机器人除了牵引车和拖车横向运动都存在非完整约束外，又增加了两个由于牵引连接所造成的完整约束，其运动控制问题的难度更具挑战性，具有重要的理论研究价值。为此，本课题将依托山东省自然科学基金重点项目“拖挂式移动机器人运动控制研究”，以拖挂式移动机器人为非完整系统的研究对象，针对非完整系统的反馈镇定问题、跟踪控制问题以及实际应用中的反向路径跟踪和反向平行泊车等问题，展开一类非完整系统运动控制问题的研究。
　　首先通过分析系统的非完整约束和完整约束，建立了拖挂式移动机器人的运动学模型。基于微分几何理论，引入了小时间可控性等概念，利用Li代数、可控性分布等工具对拖挂式移动机器人的控制特性进行了分析，并对拖挂式移动机器人的反馈镇定问题是否满足Brockett定理关于系统存在渐近稳定的连续光滑控制律的必要条件进行了论证。通过坐标和输入变换，本文给出了拖挂式移动机器人系统的链式形式。基于此链式系统，可以对系统的反馈镇定问题进行进一步研究。
　　鉴于类似非完整系统的反馈镇定问题不存在任何连续时不变的反馈控制方法，针对拖挂式移动机器人系统的反馈镇定问题，基于链式系统，利用有限时间高阶滑模方法提出一种能够在有限时间稳定的非连续反馈控制律。为避免高阶滑模方法的高频振荡现象，利用σ过程提出一种指数收敛稳定的非连续反馈控制律。仿真实验表明，所设计的反馈控制律能够有效的解决拖挂式移动机器人的反馈镇定问题。
　　针对反向运动时的反馈镇定问题，设计了具有等价运动学特性的虚拟牵引车，将牵引车的反向运动等价转换为虚拟牵引车的正向运动，通过动态扩张，将系统精确反馈线性化，基于线性化系统提出一种反馈镇定控制方法，由于该方法在速度为零处奇异，其在本质上还是一种非连续控制方式。仿真实验结果表明，所设计的控制方案有效的解决了拖挂式移动机器人在反向运动时的反馈镇定问题。此外，对于反向运动时的直线路径跟踪问题，论文利用视线导航法，结合模糊控制技术也设计了相应的控制器，能够控制拖挂式机器人对多段直线路径进行跟踪控制，仿真试验结果也证明了控制方法的有效性。
　　最后，基于拖挂式移动机器人实物实验系统，针对实际应用中的反向路径跟踪问题，利用视线导航法设计了机器人的控制方案，实物系统原机实验结果表明所设计的控制方案能够有效的解决拖挂式移动机器人对直线路径的反向跟踪；针对平行泊车问题，设计了一种基于路径规划的控制方案，通过对参考曲线路径的跟踪控制，实现拖挂式移动机器人从初始位形到平行位形的运动控制，实物系统实验结果表明所设计的控制方案能够有效的解决拖挂式移动机器人的平行泊车问题；针对复杂环境下的运动规划问题，利用快速随机搜索树算法设计了机器人的路径规划方法，实物系统实验结果表明机器人能够避开障碍物从初始位形运动到目标位形。
　　总之，本文系统的研究了一类非完整系统的运动控制问题。利用非线性系统理论和控制方法，针对拖挂式移动机器人的反馈镇定和反向运动控制等问题展开了深入研究，提出了稳定的控制方法，并利用仿真实验进行了验证；从实际应用的角度出发，提出了拖挂式移动机器人的路径跟踪问题和反向平行泊车问题的控制方法，并基于拖挂式移动机器人实物实验系统进行了实验验证。

目录

拖挂式移动机器人反馈镇定与反向运动控制研究

FEEDBACK STABILIZATION AND BACKWARD MOTION CONTROL OF TRACTOR-TRAILER MOBILE ROBOT

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.1.1 课题研究的应用背景

1.1.2 课题研究的理论意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 典型的拖挂式移动机器人实验系统研究现状

1.2.2 拖挂式移动机器人运动控制研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 拖挂式移动机器人系统建模

2.1 引言

2.2 拖挂式移动机器人的运动学模型

2.2.1 完整约束与非完整约束

2.2.2 具有一节拖车的拖挂式移动机器人

2.2.3 具有n节拖车的拖挂式移动机器人

2.2.4 运动学模型的仿真分析

2.3 拖挂式移动机器人系统分析

2.3.1 非线性控制系统理论的基本概念

2.3.2 小时间局部可控性

2.3.3 拖挂式移动机器人的反馈镇定问题

2.3.4 拖挂式移动机器人的链式系统

2.4 本章小结

第3章 拖挂式移动机器人的反馈镇定控制

3.1 引言

3.2 基于有限时间高阶滑模的非连续控制方法

3.2.1 系统的运动学模型

3.2.2 有限时间高阶滑模控制

3.2.3 基于链式系统的非连续控制方法

3.2.4 稳定性分析

3.2.5 仿真实验

3.3 基于σ过程的非连续控制方法

3.3.1 基于σ过程的控制器设计

3.3.2 稳定性分析

3.3.3 仿真实验

3.4 本章小结

第4章 拖挂式移动机器人的反向运动控制

4.1 引言

4.2 拖挂式移动机器人的反向反馈镇定控制

4.2.1 虚拟牵引车

4.2.2 动态反馈线性化

4.2.3 反向反馈镇定问题的控制方案

4.2.4 仿真实验

4.3 拖挂式移动机器人的反向路径跟踪

4.3.1 直线路径跟踪控制问题

4.3.2 视线导航方法

4.3.3 直线路径跟踪问题的模糊LOS控制器

4.3.4 仿真实验

4.4 本章小结

第5章 拖挂式移动机器人控制系统实验研究

5.1 系统组成

5.1.1 硬件配置

5.1.2 软件环境

5.2 反向直线路径跟踪控制实验

5.2.1 控制方案设计

5.2.2 原机实验

5.3 反向平行泊车实验

5.3.1 控制方案设计

5.3.2 路径规划算法

5.3.3 曲线路径跟踪控制方法

5.3.4 原机实验

5.4 复杂环境下的运动控制实验

5.4.1 空间环境模型

5.4.2 基于快速搜索随机树的路径搜索算法

5.4.3 直线参考路径

5.4.4 实验结果

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及申请专利

攻读博士学位期间完成和参加的科研项目

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历