拖掛式移動機器人反饋鎮(zhèn)定與反向運動控制研究.pdf

1、目前，非完整系統(tǒng)的運動控制問題已經成為機器人運動控制理論研究的重要內容。作為一個非完整系統(tǒng)，拖掛式移動機器人一方面具有移動機器人的運動能力，另一方面可以拓展移動機器人的其它功能，如復雜和危險環(huán)境下的貨物運輸、飛機或火車貨物中轉等，因而具有重要的實際應用價值。拖掛式移動機器人的運動控制問題已經成為國內外控制理論研究的重要對象。與一般的欠驅動系統(tǒng)如輪式車型機器人、水面船舶、空間飛行器等相比，拖掛式移動機器人除了牽引車和拖車橫向運動都存在非完

2、整約束外，又增加了兩個由于牽引連接所造成的完整約束，其運動控制問題的難度更具挑戰(zhàn)性，具有重要的理論研究價值。為此，本課題將依托山東省自然科學基金重點項目“拖掛式移動機器人運動控制研究”，以拖掛式移動機器人為非完整系統(tǒng)的研究對象，針對非完整系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問題、跟蹤控制問題以及實際應用中的反向路徑跟蹤和反向平行泊車等問題，展開一類非完整系統(tǒng)運動控制問題的研究。
　　首先通過分析系統(tǒng)的非完整約束和完整約束，建立了拖掛式移動機器人的運動學

3、模型?；谖⒎謳缀卫碚?，引入了小時間可控性等概念，利用Li代數、可控性分布等工具對拖掛式移動機器人的控制特性進行了分析，并對拖掛式移動機器人的反饋鎮(zhèn)定問題是否滿足Brockett定理關于系統(tǒng)存在漸近穩(wěn)定的連續(xù)光滑控制律的必要條件進行了論證。通過坐標和輸入變換，本文給出了拖掛式移動機器人系統(tǒng)的鏈式形式。基于此鏈式系統(tǒng)，可以對系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問題進行進一步研究。
　　鑒于類似非完整系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問題不存在任何連續(xù)時不變的反饋控制方法，針

4、對拖掛式移動機器人系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問題，基于鏈式系統(tǒng)，利用有限時間高階滑模方法提出一種能夠在有限時間穩(wěn)定的非連續(xù)反饋控制律。為避免高階滑模方法的高頻振蕩現象，利用σ過程提出一種指數收斂穩(wěn)定的非連續(xù)反饋控制律。仿真實驗表明，所設計的反饋控制律能夠有效的解決拖掛式移動機器人的反饋鎮(zhèn)定問題。
　　針對反向運動時的反饋鎮(zhèn)定問題，設計了具有等價運動學特性的虛擬牽引車，將牽引車的反向運動等價轉換為虛擬牽引車的正向運動，通過動態(tài)擴張，將系統(tǒng)精確反

5、饋線性化，基于線性化系統(tǒng)提出一種反饋鎮(zhèn)定控制方法，由于該方法在速度為零處奇異，其在本質上還是一種非連續(xù)控制方式。仿真實驗結果表明，所設計的控制方案有效的解決了拖掛式移動機器人在反向運動時的反饋鎮(zhèn)定問題。此外，對于反向運動時的直線路徑跟蹤問題，論文利用視線導航法，結合模糊控制技術也設計了相應的控制器，能夠控制拖掛式機器人對多段直線路徑進行跟蹤控制，仿真試驗結果也證明了控制方法的有效性。
　　最后，基于拖掛式移動機器人實物實驗系統(tǒng)，針

6、對實際應用中的反向路徑跟蹤問題，利用視線導航法設計了機器人的控制方案，實物系統(tǒng)原機實驗結果表明所設計的控制方案能夠有效的解決拖掛式移動機器人對直線路徑的反向跟蹤；針對平行泊車問題，設計了一種基于路徑規(guī)劃的控制方案，通過對參考曲線路徑的跟蹤控制，實現拖掛式移動機器人從初始位形到平行位形的運動控制，實物系統(tǒng)實驗結果表明所設計的控制方案能夠有效的解決拖掛式移動機器人的平行泊車問題；針對復雜環(huán)境下的運動規(guī)劃問題，利用快速隨機搜索樹算法設計了機器