【摘要】：作為機器人的重要分支,輪式移動機器人相比于傳統(tǒng)工業(yè)機器人具有更好的靈活性及更廣闊的工作空間,因而被廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育、娛樂、服務甚至是軍事等領(lǐng)域。輪式移動機器人由機器人本體、感知系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成,是一類集感知、決策及控制于一體的高度自動化系統(tǒng)。所謂軌跡跟蹤是利用傳感器檢測回來的機器人狀態(tài)信息設計跟蹤控制律從而實現(xiàn)對給定軌跡的跟蹤。跟蹤控制是輪式移動機器人實現(xiàn)復雜作業(yè)任務的前提,是實現(xiàn)輪式移動機器人控制需要解決的重要問題之一。然而,輪式移動機器人模型具有欠驅(qū)動、非線性、強耦合以及多輸入多輸出等特點。另外,輪式移動機器人系統(tǒng)在工作過程中易受參數(shù)變化、地面摩擦力、未建模動態(tài)以及外部擾動等不確定性因素的影響。這些都對輪式移動機器人的精確跟蹤控制提出了一定的挑戰(zhàn)。本文以輪式移動機器人為研究對象,運用滑�？刂�、保性能控制、擴展狀態(tài)觀測器以及干擾觀測器等先進控制方法,對存在未建模動態(tài)、外部擾動、輪子打滑以及控制輸入信號受限等情況下非完整輪式移動機器人的魯棒軌跡跟蹤控制問題進行了深入研究,提出了一些有效的跟蹤控制策略。本文的主要研究工作和成果如下:1.針對執(zhí)行機構(gòu)具有輸入飽和約束的非完整輪式移動機器人魯棒軌跡跟蹤控制問題,提出了一種抗飽和自適應滑�？刂品椒�。首先設計非線性擴張狀態(tài)觀測器用以估計系統(tǒng)參數(shù)攝動和外部擾動等不確定因素,進而基于非線性擴張狀態(tài)觀測器的估計值設計系統(tǒng)抗飽和自適應滑�？刂破�,從而消除系統(tǒng)參數(shù)攝動、外部擾動等因素對控制性能的不利影響,滿足執(zhí)行機構(gòu)對控制輸入信號的飽和約束要求,確保系統(tǒng)輸出能夠準確跟蹤期望信號。逡2.針對存在模型參數(shù)攝動和外部有界擾動的非完整輪式移動機器人軌跡跟蹤控制問題,提出了一種基于擴張狀態(tài)觀測器的全階滑�？刂品椒�。為方便擴張狀態(tài)觀測器的設計,首先通過坐標變換將耦合的系統(tǒng)動力學模型轉(zhuǎn)化為兩個獨立的子系統(tǒng);進而將模型參數(shù)攝動和外部有界擾動擴張為新的狀態(tài)變量,分別對兩個子系統(tǒng)設計擴張狀態(tài)觀測器用以觀測系統(tǒng)型參數(shù)攝動和外部有界擾動;然后利用擴張狀態(tài)觀測器的估計值設計全階滑�？刂破�。仿真對比結(jié)果表明所設計的控制方法可有效解決傳統(tǒng)滑�？刂浦锌刂菩盘柖墩裢怀龅膯栴},提高了系統(tǒng)跟蹤控制的效果。3.研究了非完整輪式移動機器人的魯棒有限時間跟蹤控制問題。采用非線性擴張狀態(tài)觀測器實現(xiàn)了對系統(tǒng)總和擾動的準確估計,提高系統(tǒng)跟蹤控制性能的魯棒性。非線性擴張狀態(tài)觀測器的增益通過極點配置技術(shù)加以確定,簡化了非線性擴張狀態(tài)觀測器的參數(shù)整定過程�；谙到y(tǒng)運動學模型設計廣義速度控制律,保證系統(tǒng)位姿跟蹤誤差的有限時間收斂。最后,結(jié)合非線性擴張狀態(tài)觀測器和終端滑�？刂萍夹g(shù)設計系統(tǒng)動力學有限時間控制律,確保速度跟蹤誤差的有限時間收斂。4.研究了具有模型參數(shù)不確定性及控制輸入約束影響下的非完整輪式移動機器人軌跡跟蹤最優(yōu)保性能控制問題。依據(jù)實際機器人與虛擬機器人的相對位姿關(guān)系建立了系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差動態(tài)模型。采用平衡點線性化方法將非線性形式的軌跡跟蹤誤差動態(tài)模型轉(zhuǎn)換為線性形式的軌跡跟蹤誤差動態(tài)模型。通過線性矩陣不等式處理方法,給出了最優(yōu)保性能控制器的存在條件及設計方法。5.對存在輪子縱向和側(cè)向打滑情況的非完整輪式移動機器人的軌跡跟蹤控制問題進行了研究,給出一種基于干擾觀測器的魯棒跟蹤控制器設計方法。首先建立考慮輪子存在縱向和側(cè)向打滑的非完整輪式移動機器人系統(tǒng)模型;然后設計基于干擾觀測器的魯棒跟蹤控制器,并利用Lyapunov穩(wěn)定性理論證明了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性;最后對期望信號分別為常值信號和時變信號的兩種不同情況進行了仿真研究,結(jié)果表明了所設計控制方法的有效性。最后,對非完整輪式移動機器人魯棒軌跡跟蹤控制的主要研究工作進行了總結(jié),并對后續(xù)需要進一步研究的問題進行了展望。
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

輪式移動機器人的典型應用領(lǐng)域

于描述輪式移動機器人在全局坐標系 X O 點在全局坐標系中的位置， 為輪式移動機(即輪式移動機器人的方向角)。這里假設兩，即輪式移動機器人的運動滿足非完整約束x sin ycos 0 下輪式移動機器人的運動學模型在全局坐標q S (q ) u 2為由輪式移動機器人的線速度和角速度組成換陣，具有如下形式：cos 0( ) sin 00 1S q

浙江工業(yè)大學博士學位論文 態(tài)觀測器態(tài)觀測器[57-61](ESO)作為自抗擾控制技術(shù)的重要組成部分,是一種測器。這種觀測器并不依賴于被控對象具體的數(shù)學模型，也不需要作用[60-63]。ESO 能夠依據(jù)輪式移動機器人被控輸出信息中反映的擾測的思想，將作用于系統(tǒng)的內(nèi)部和外部擾動看成系統(tǒng)的總和擾動并狀態(tài)，利用特殊的反饋機制建立具有擾動實時觀測能力的擴張狀態(tài)總和擾動及狀態(tài)的觀測。擴張狀態(tài)觀測器的基本原理如圖 2.2 所示信號；y為系統(tǒng)輸出信號；1 2, , ,nz z z為 ESO 對系統(tǒng)n 個狀態(tài)變量的 對系統(tǒng)總和擾動的觀測值。z

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本文編號：2797119