【摘要】：作為機(jī)器人的重要分支,輪式移動(dòng)機(jī)器人相比于傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)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(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、教育、娛樂、服務(wù)甚至是軍事等領(lǐng)域。輪式移動(dòng)機(jī)器人由機(jī)器人本體、感知系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)。所謂軌跡跟蹤是利用傳感器檢測回來的機(jī)器人狀態(tài)信息設(shè)計(jì)跟蹤控制律從而實(shí)現(xiàn)對給定軌跡的跟蹤。跟蹤控制是輪式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜作業(yè)任務(wù)的前提,是實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人控制需要解決的重要問題之一。然而,輪式移動(dòng)機(jī)器人模型具有欠驅(qū)動(dòng)、非線性、強(qiáng)耦合以及多輸入多輸出等特點(diǎn)。另外,輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)態(tài)以及外部擾動(dòng)等不確定性因素的影響。這些都對輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人為研究對象,運(yùn)用滑�？刂�、保性能控制、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器以及干擾觀測器等先進(jìn)控制方法,對存在未建模動(dòng)態(tài)、外部擾動(dòng)、輪子打滑以及控制輸入信號(hào)受限等情況下非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人的魯棒軌跡跟蹤控制問題進(jìn)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(jī)構(gòu)具有輸入飽和約束的非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人魯棒軌跡跟蹤控制問題,提出了一種抗飽和自適應(yīng)滑�？刂品椒�。首先設(shè)計(jì)非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器用以估計(jì)系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和外部擾動(dòng)等不確定因素,進(jìn)而基于非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的估計(jì)值設(shè)計(jì)系統(tǒng)抗飽和自適應(yīng)滑模控制器,從而消除系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)、外部擾動(dòng)等因素對控制性能的不利影響,滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)對控制輸入信號(hào)的飽和約束要求,確保系統(tǒng)輸出能夠準(zhǔn)確跟蹤期望信號(hào)。逡2.針對存在模型參數(shù)攝動(dòng)和外部有界擾動(dòng)的非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制問題,提出了一種基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的全階滑�？刂品椒ā榉奖銛U(kuò)張狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì),首先通過坐標(biāo)變換將耦合的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型轉(zhuǎn)化為兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng);進(jìn)而將模型參數(shù)攝動(dòng)和外部有界擾動(dòng)擴(kuò)張為新的狀態(tài)變量,分別對兩個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測器用以觀測系統(tǒng)型參數(shù)攝動(dòng)和外部有界擾動(dòng);然后利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的估計(jì)值設(shè)計(jì)全階滑�？刂破�。仿真對比結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制方法可有效解決傳統(tǒng)滑模控制中控制信號(hào)抖振突出的問題,提高了系統(tǒng)跟蹤控制的效果。3.研究了非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人的魯棒有限時(shí)間跟蹤控制問題。采用非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)總和擾動(dòng)的準(zhǔn)確估計(jì),提高系統(tǒng)跟蹤控制性能的魯棒性。非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的增益通過極點(diǎn)配置技術(shù)加以確定,簡化了非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的參數(shù)整定過程。基于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型設(shè)計(jì)廣義速度控制律,保證系統(tǒng)位姿跟蹤誤差的有限時(shí)間收斂。最后,結(jié)合非線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測器和終端滑�？刂萍夹g(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)有限時(shí)間控制律,確保速度跟蹤誤差的有限時(shí)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(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤最優(yōu)保性能控制問題。依據(jù)實(shí)際機(jī)器人與虛擬機(jī)器人的相對位姿關(guān)系建立了系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差動(dòng)態(tài)模型。采用平衡點(diǎn)線性化方法將非線性形式的軌跡跟蹤誤差動(dòng)態(tài)模型轉(zhuǎn)換為線性形式的軌跡跟蹤誤差動(dòng)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(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制問題進(jìn)行了研究,給出一種基于干擾觀測器的魯棒跟蹤控制器設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)模型;然后設(shè)計(jì)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(hào)分別為常值信號(hào)和時(shí)變信號(hào)的兩種不同情況進(jìn)行了仿真研究,結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)控制方法的有效性。最后,對非完整輪式移動(dòng)機(jī)器人魯棒軌跡跟蹤控制的主要研究工作進(jìn)行了總結(jié),并對后續(xù)需要進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

輪式移動(dòng)機(jī)器人的典型應(yīng)用領(lǐng)域

于描述輪式移動(dòng)機(jī)器人在全局坐標(biāo)系 X O 點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的位置， 為輪式移動(dòng)機(jī)(即輪式移動(dòng)機(jī)器人的方向角)。這里假設(shè)兩，即輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)滿足非完整約束x sin ycos 0 下輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型在全局坐標(biāo)q S (q ) u 2為由輪式移動(dòng)機(jī)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(xué)博士學(xué)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(xué)模型，也不需要作用[60-63]。ESO 能夠依據(jù)輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)看成系統(tǒng)的總和擾動(dòng)并狀態(tài)，利用特殊的反饋機(jī)制建立具有擾動(dòng)實(shí)時(shí)觀測能力的擴(kuò)張狀態(tài)總和擾動(dòng)及狀態(tài)的觀測。擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的基本原理如圖 2.2 所示信號(hào)；y為系統(tǒng)輸出信號(hào)；1 2, , ,nz z z為 ESO 對系統(tǒng)n 個(gè)狀態(tài)變量的 對系統(tǒng)總和擾動(dòng)的觀測值。z

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本文編號(hào)：2797119