轮式差速移动机器人轨迹跟踪控制方法

论文摘要

轮式差速移动机器人是典型的非完整、非线性系统。在过去的十多年中,因其潜在应用前景,有关轮式移动机器人的研究受到了越来越多的关注。本文主要研究轮式差动机器人的轨迹跟踪控制问题。首先根据Back-Stepping设计方法,分别基于移动机器人的运动学模型和动力学模型设计了轨迹跟踪控制律,并构造Lyapunov函数证明了系统在控制律下的全局稳定性。在Matlab环境下对圆形轨迹和直线轨迹进行了跟踪控制仿真,证明了此控制律的有效性。然后采用滑模变结构控制理论,分别针对移动机器人的运动学模型和动力学模型设计了轨迹跟踪控制算法,在Matlab环境下进行了仿真并对仿真结果进行了分析。接着采用了一种新的误差模型并设计了模糊轨迹跟踪控制器,对圆形和直线轨迹进行的仿真结果验证所提方法的正确性。选用Back-Stepping方法,基于运动学模型的轨迹跟踪控制律进行了实际机器人实验验证,通过加入速度和加速度限制,得到了较好的实验结果,证明了控制算法的有效性。最后对三种轨迹跟踪控制算法的优缺点进行了总结和比较。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 移动机器人发展概况
• 1.1.1 机器人与机器人学定义
• 1.1.2 移动机器人发展
• 1.1.3 非完整约束和非完整系统
• 1.2 移动机器人控制问题
• 1.2.1 移动机器人运动控制研究背景
• 1.2.2 移动机器人轨迹跟踪控制研究现状
• 1.2.3 移动机器人轨迹跟踪发展趋势
• 1.3 本文主要内容与安排
• 第二章 基于Back-Stepping方法的轨迹跟踪
• 2.1 Back-Stepping算法
• 2.1.1 Back-stepping算法的提出
• 2.1.2 Back-Stepping方法的设计过程
• 2.2 Back-Stepping方法设计基于运动学模型的轨迹跟踪控制律
• 2.2.1 轨迹跟踪控制律设计
• 2.2.2 稳定性证明
• 2.3 Back-Stepping方法设计基于动力学模型的轨迹跟踪控制律
• 2.3.1 轨迹跟踪控制律设计
• 2.3.2 稳定性证明
• 2.4 仿真结果
• 2.4.1 基于运动学模型仿真结果
• 2.4.2 基于动力学模型仿真结果
• 2.4.3 仿真结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于滑模变结构控制方法的轨迹跟踪
• 3.1 滑模变结构控制原理
• 3.1.1 滑模变结构控制定义及数学表达
• 3.1.2 滑模变结构控制的抖振问题
• 3.1.3 趋近律设计方法
• 3.2 滑模控制方法设计基于运动学模型的轨迹跟踪控制律
• 3.2.1 轨迹跟踪控制律设计
• 3.2.2 稳定性证明
• 3.3 滑模控制方法设计基于动力学模型的轨迹跟踪控制律
• 3.3.1 轨迹跟踪控制律设计
• 3.3.2 控制律稳定性证明
• 3.4 仿真结果
• 3.4.1 基于运动学模型仿真结果
• 3.4.2 基于动力学模型仿真结果
• 3.4.3 仿真结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于模糊控制的轨迹跟踪
• 4.1 模糊控制器的基本原理
• 4.1.1 模糊控制的基本思想
• 4.1.2 模糊控制器的基本结构
• 4.2 基于模糊控制方法的轨迹跟踪控制器
• 4.2.1 一种新的误差模型
• 4.2.2 模糊控制器的设计
• 4.3 仿真结果及分析
• 4.3.1 仿真结果
• 4.3.2 仿真结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 移动机器人轨迹跟踪实验
• 5.1 轨迹跟踪控制实验系统
• 5.1.1 实验条件
• 5.1.2 移动机器人电机控制
• 5.1.3 移动机器人无线通讯
• 5.1.4 全局摄像头实时获取机器人位姿
• 5.2 程序流程图及控制算法框图
• 5.2.1 程序流程图
• 5.2.2 控制框图
• 5.3 实验的实现
• 5.3.1 实验理论背景
• 5.3.2 实验结果
• 5.3.3 实验结果与仿真结果的对比分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢