基于解耦和H鲁棒的非完整移动机器人轨迹跟踪控制研究

摘要

非完整约束是指约束中含有广义坐标的导数，且这些导数不全部可积。轮式移动机器人是典型的非完整系统，其非完整特性体现在车轮本身的纯滚动而无滑动限制上。 本文提出了一种新的轮式移动机器人模型——差分驱动模型。该模型通过同步齿形带使单侧的车轮等速。这种结构的运动可靠稳定，控制相对简单。接着根据非完整力学建立了移动机器人系统的运动学和动力学模型，并对其非完整特性做了深入的分析，证明了轨迹跟踪的可控性。 针对移动机器人的轨迹跟踪问题，设计了基于运动学方程的解耦控制器。通过仿真说明了该控制器的有效性，同时也指出该算法并不具备抗干扰性。出于实用性的考虑，本文提出了一种解耦和H∞鲁棒的混合控制算法。首先建立了包含自身不确定因素和外界干扰的机器人动力学模型，接着利用输入输出解耦得到广义误差的状态方程，再根据H∞指标获得最终的混合控制律，并证明了该控制律的鲁棒稳定性。通过对椭圆曲线的跟踪仿真证明了控制器的有效性。 最后，具体设计了差分驱动移动机器人的本体机构，并搭建了硬件的整体框架，为进一步的控制算法的验证提供了一个参考平台。