非完整移动机器人鲁棒轨迹跟踪控制研究

论文摘要

本论文研究了非完整移动机器人的轨迹跟踪控制问题,特别是当系统存在不确定性时的鲁棒轨迹跟踪控制。本文的主要研究内容如下:针对非完整移动机器人的运动学模型,为轨迹跟踪控制设计反馈速度控制律:建立了局部坐标系下用直角坐标表示的位姿误差模型,然后应用控制Lyapunov函数方法为轨迹跟踪误差系统设计了非线性状态反馈控制律,使闭环系统在原点是一致渐近稳定的,从而保证了轨迹的渐近跟踪。之后的控制律设计都是以此方法为基础的。基于非完整移动机器人的动态模型进行轨迹跟踪控制律设计,获得动力学系统的实际力矩控制输入:采用控制Lyapunov函数和反步设计的思想,首先,由控制Lyapunov函数设计出可以保证轨迹跟踪误差渐近稳定的辅助速度控制,然后设计反馈加速度控制律使移动机器人的实际速度收敛到所设计的辅助控制速度,最后计算力矩获得实际的控制信号。针对具有未知外部扰动和惯性参数不确定性的动力学系统的轨迹跟踪问题,设计了鲁棒自适应控制器,要求不确定性和外部扰动有界;该方法可以克服不确定性带来的影响,提高控制系统的鲁棒性。在移动机器人动态模型的基础上进一步考虑了驱动模型的影响,设计以电机电压为控制输入的轨迹跟踪控制律:针对系统模型具有不确定惯性参数和结构参数的情况,设计了自适应控制律,保证了存在不确定性时轨迹跟踪的实现。对本文所设计的控制方案都进行了仿真研究,仿真结果也验证了控制律的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 轨迹跟踪控制的研究现状
• 1.3 本文的主要内容安排
• 第2章 预备知识
• 2.1 非完整移动机器人
• 2.1.1 非完整系统
• 2.1.2 微分约束的可积性判定
• 2.1.3 轮式移动机器人的非完整性
• 2.2 非完整移动机器人运动控制问题概述
• 2.3 非完整移动机器人的数学模型
• 2.3.1 非完整移动机器人的运动学模型
• 2.3.2 非完整移动机器人的动力学模型
• 2.3.3 动力学模型的性质
• 2.3.4 非完整移动机器人的驱动模型
• 第3章 基于运动学模型的非完整移动机器人轨迹跟踪控制
• 3.1 运动学模型
• 3.2 轨迹跟踪控制律设计
• 3.3 闭环系统稳定性分析
• 3.3.1 闭环系统的平衡状态
• 3.3.2 稳定性分析
• 3.4 仿真实例
• 3.5 小结
• 第4章 基于动力学模型的非完整移动机器人轨迹跟踪控制
• 4.1 问题描述
• 4.2 基于计算力矩法的轨迹跟踪控制
• 4.2.1 轨迹跟踪控制律设计
• 4.2.2 闭环系统稳定性分析
• 4.2.3 仿真实例
• 4.2.4 小结
• 4.3 轨迹跟踪鲁棒自适应控制
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 轨迹跟踪控制律设计
• 4.3.3 闭环系统稳定性分析
• 4.3.4 仿真实例
• 4.4 小结
• 第5章 考虑驱动模型的非完整移动机器人轨迹跟踪控制
• 5.1 考虑电机动力学的系统动态模型
• 5.2 考虑电机动力学的轨迹跟踪控制
• 5.3 轨迹跟踪控制律设计
• 5.4 闭环系统稳定性分析
• 5.5 仿真实例
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢