基于干扰观测器的多机器人滑模编队控制

摘要

随着机器人技术的发展，多机器人协作技术成为一个重要研究方向，编队控制作为协作技术研究的基础，受到国内外学者高度的关注。由于负载变化、参数摄动及外部扰动等诸多不确定性都会影响编队控制目标的实现，因此针对受不确定性影响的多机器人编队控制问题成为国内外研究的热门课题。干扰观测器作为一种提高不确定性系统鲁棒性的有效手段，应用于多机器人编队控制中，可以有效的抑制不确定性对系统的影响，提高控制精度。本文针对多机器人编队控制问题，提出了基于干扰观测器的滑模控制策略。
　　本研究主要内容包括：⑴对轮式移动机器人的非完整特性进行了分析，建立了非完整移动机器人的运动学和动力学模型，分析了目前常用的四种编队控制方法，选取领航-跟随法，建立编队系统的动力学模型，并对编队系统中存在的不确定性进行了分类及分析。⑵介绍了干扰观测器的基本概念，建立干扰观测器的标准和经典结构图，并对其性能进行分析;针对一类具有不确定性的非线性系统，提出了基于干扰观测器的干扰抑制方法，重点讲述了非线性干扰观测器的设计原理，给出了观测误差的概念，并对其收敛性进行分析。⑶以编队系统的动力学模型为控制对象，在只考虑匹配不确定性的情况下，提出了常规滑模、二阶滑模和积分滑模三种控制方法，阐述了控制器的设计过程、参数选取原则以及控制方法的稳定性分析，通过仿真实验验证了三种滑模控制的有效性以及对匹配不确定性的不变性。⑷针对滑模控制无法抑制的非匹配不确定性问题以及滑模控制中存在的抖振问题，提出了基于非线性干扰观测器的控制策略。在不确定性上界未知的假设条件下，采用非线性干扰观测器在线观测编队系统中的不确定性，通过选择设计参数使观测误差指数收敛。针对引入非线性干扰观测器的编队系统设计滑模控制器，基于Lyapunov理论，证明了编队系统的渐近稳定性。通过仿真对比验证了该方法可以抑制非匹配不确定性对编队系统的影响，同时削弱抖振，改善控制性能。

目录

声明

摘要

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 多机器人编队控制的研究

1．2．2 干扰观测器的研究

1．3 待研究的方向和解决的问题

1．4 本课题的研究内容

第2章 多机器人编队系统模型

2．1．1 非完整特性分析

2．1．2 非完整移动机器人运动学建模

2．1．3 非完整移动机器人动力学建模

2．2 多机器人编队控制方法

2．2．1 领航跟随者法

2．2．2 基于行为法

2．2．3 人工势场法

2．2．4 虚拟结构法

2．3 基于领航跟随者的多机器人编队系统

2．4 多机器人编队系统中的不确定性

2．5 本章小结

第3章 非线性干扰观测器设计与分析

3．1 干扰观测器的基本概念

3．2 干扰观测器的原理

3．3 非线性干扰观测器的设计

3．3．1 非线性干扰观测器方程

3．3．2 观测误差

3．4 本章小结

第4章 多机器人的滑模编队控制

4．1 滑模控制理论

4．1．1 滑模控制定义及设计方法

4．1．2 滑模控制的不变性和抖振问题

4．2 多机器人编队系统的滑模控制策略

4．2．1 常规滑模控制策略

4．2．2 二阶滑模控制策略

4．2．3 积分滑模控制策略

4．3 仿真实验

4．4 本章小结

第5章 基于非线性干扰观测器的多机器人滑模编队控制

5．1 非线性干扰观测器的设计

5．2 基于非线性干扰观测器的常规滑模编队控制

5．2．1 基于非线性干扰观测器的常规滑模控制器的设计

5．2．2 稳定性与性能分析

5．3 基于非线性干扰观测器的积分滑模编队控制

5．3．2 稳定性与性能分析

5．4 仿真实验

5．5 典型编队队形

5．6 本章小结

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢