基于自适应模糊滑模控制器的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制

摘要

随着科学技术的发展及社会需求的不断增长,移动机器人技术得到了迅速的发展。轮式移动机器人作为人类生活生产的新型使用工具,具有改善生产模式、大幅度提高生产效率、降低劳动强度等显著优点,并展现出蓬勃发展的巨大活力。实现对轮式移动机器人精准的运动控制是其完成各项任务的根本保障。轮式移动机器人的轨迹跟踪控制是其运动控制的重要组成部分之一,故对其轨迹跟踪控制的研究具有重要意义。
　　轮式移动机器人轨迹跟踪控制的早期研究是基于运动学模型而设计的,但该控制律无法实现对存有参数与非参数不确定性的机器人系统进行控制。因此,目前较多的研究集中在基于以力矩为控制输入并且存有各种不确定性因素的动力学模型控制律设计方面。但在实际应用中,力矩最终是通过直流驱动电机提供的,并且目前含有直流电机驱动模型的研究相对较少。因此,针对含有直流电机驱动模型并且存在各种不确定因素在内的非完整轮式移动机器人系统,本文提出了一种自适应模糊滑模控制方法对其轨迹跟踪控制律进行设计。
　　首先,介绍了非完整系统的概念及性质,包括非完整系统的概念、Pfaffian型约束的非完整性及可控性判定;非完整轮式移动机器人运动控制问题概述;非完整轮式移动机器人的数学模型,包括以移动机器人平台上任意一点为参考点建立的运动学模型和动力学模型以及直流电机驱动模型。
　　其次,介绍了反演控制器设计的基本原理;通过选择特殊参考点简化了第二章提出的非完整轮式移动机器人运动学模型;建立了局部坐标系下的位姿误差模型,利用反演控制器设计的思想,通过设计Lyapunov函数及反馈速度输入控制律,得出系统具有全局意义下渐进稳定性的结论;在所设计的速度控制律作用下,非完整轮式移动机器人分别对直线和圆形两种轨迹进行跟踪并最终渐进稳定的仿真实例验证了该控制律的有效性。
　　最后,介绍了自适应模糊控制算法及滑模控制算法的基本原理;通过选择特殊参考点简化了第二章提出的非完整轮式移动机器人以力矩为控制输入的动力学模型,在此基础上,考虑第二章提出的直流电机驱动模型,建立了以直流电机驱动电压为控制输入的动力学模型;针对非完整轮式移动机器人进行轨迹控制过程中存在的诸多不确定性,对该动力学模型控制律的设计引入了滑模控制算法;通过自适应模糊控制器来调整滑模控制器的增益值而得出在不同情况下滑模控制增益的优化估计,用来消除滑模控制存在的抖振现象及克服移动机器人系统存在的参数与非参数不确定性;对文中提出的算法及普通滑模控制算法进行了仿真并对比分析。仿真结果表明,文中提出的控制算法使非完整轮式移动机器人对直线和圆形两种轨迹具有良好的跟踪效果,并较普通滑模控制算法具有一定的优越性。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制的研究现状

1.3 非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制待解决的问题

1.4 论文内容安排

第二章 非完整轮式移动机器人的基础知识

2.1 非完整系统的概念及性质

2.2 非完整移动机器人运动控制问题概述

2.3 非完整轮式移动机器人的数学模型

2.4 本章小结

第三章 基于运动学模型的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制

3.1 反演控制器设计的基本原理

3.2 非完整轮式移动机器人的运动学模型

3.3 非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制律设计

3.4 仿真与分析

3.5 本章小结

第四章 含有驱动模型的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪控制

4.1 自适应模糊控制原理

4.2 滑模控制原理

4.3 含有直流电机驱动模型的非完整轮式移动机器人动力学模型

4.4 含有直流电机驱动模型的动力学滑模控制器设计

4.5 含有直流电机驱动模型的动力学自适应模糊滑模控制器设计

4.6 含参数不确定性及外界干扰状况下的仿真与分析

4.7 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

附录A

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢