带两节拖车拖挂式移动机器人控制策略研究

摘要

随着社会的进步和现代科学技术的发展，带有拖车的移动机器人在物流运输、军事侦查、以及工业自动化生产等方面的应用越来越广泛，它具有拖车节数可以任意改变的优点，因此在港口码头，火车站，飞机场等需要运输货物的场合得到了广泛的使用。除此之外，它还可以在很多复杂的环境下进行工作，比如海洋深水下、凸凹不平的地面、甚至是月球表面等。
　　 利用拖挂式移动机器人可以极大地提高效率，降低成本。它在实际中的很多应用都可以归结为路径跟踪控制的问题。在实践中，轮式移动机器人的大量使用促进了机器人研究领域的发展，而拖挂式移动机器人的路径跟踪问题是移动机器人研究领域的一个重要组成部分，吸引着众多学者的目光。由于我国移动机器人的研究水平远远的落后于西方国家，在实际应用方面和西方国家还有一定的差距，因此，对移动机器人运动控制的研究具有较高的理论和实际意义。
　　 目前对移动式机器人的研究内容主要有机器人的系统建模、环境信息的采集、路径规划、自适应导航、多个移动机器人共同协作等问题。对于带有拖车的移动机器人来说，它的研究内容主要有路径跟踪和路径规划。移动机器人在排雷、地面军事侦查、防止有毒气体污染等对人体有伤害的环境中应用很广，而这些应用大部分都可以归结为路径跟踪控制问题。
　　 本文所研究的内容是带两节拖车的移动机器人的控制策略，即沿着给定的固定路径运动。在运动的过程中，既要保证整个车体之间不能有任何碰撞，又要满足一定的精度要求，从而使整个车体在有障碍物的情况下不会偏离规划的路径。由于车体整体结构比较复杂，尤其是倒车跟踪控制更是困难，因此，很多国内外学者把研究的重点都放在了倒车跟踪上。
　　 对于带两节拖车的拖挂式移动机器人的正向和反向路径跟踪问题，本文主要完成了以下几个方面的工作：
　　 第一：对整个车体系统的运动学特性进行了分析，建立了三个车体相互连接的运动学模型，并对所建立的模型进行了仿真验证，为选择和设计正确的控制算法奠定了理论基础。
　　 第二：针对带有两节小车的移动式机器人的路径跟踪问题，提出了视线导航方法(Line of Sight)的控制器。该控制器能够指引整个车体系统正反向跟踪所给定的路线。
　　 第三：为了实现跟踪任务，提出了一种基于PID-LOS方法的控制器，调节PID参数，使控制器达到理想路径跟踪效果。
　　 第四：简化移动机器人模型，使用李亚普诺夫第二种方法对系统的稳定性进行验证。

目录

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摘要

第一章 绪论

1.1 概述

1.2 课题研究的背景及意义

1.3 带拖车的拖挂式移动机器人的发展及研究现状

1.3.1 国内外移动机器人的研究现状

1.3.2 路径规划问题

1.3.3 路径跟踪问题

1.4 有待解决的问题

1.5 本文主要研究内容和章节安排

第二章 带拖车移动机器人系统运动学模型与特性

2.1 引言

2.2 系统的运动学模型

2.2.1 系统运动学模型的假设

2.2.2 数学模型中的变量说明

2.3 系统的运动学特性

2.4 系统的运动学仿真

2.5 本章小结

第三章 基于PID-LOS方法的前向路径跟踪控制

3.1 控制算法的比较

3.2 PID控制原理

3.3 视线导航方法(LOS)

3.3.1 LOSangle的确定

3.3.2 前向跟踪LOS方法

3.4 前向跟踪PID控制器的设计

3.5 实验仿真

3.6 本章小结

第四章 基于李亚普诺夫稳定性分析的反向路径跟踪控制方法

4.1 Lyapunov方法

4.2 简化的带两节拖车的移动机器人模型

4.3 系统稳定性的证明

4.4 直线跟踪控制规律

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

附录