自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與協(xié)調(diào)方法研究.pdf

1、自主移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境自感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與自執(zhí)行等多功能于一體的綜合智能系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人的不同之處在于它具有自主移動(dòng)的能力，因而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防和太空探索等領(lǐng)域。運(yùn)動(dòng)控制是移動(dòng)機(jī)器人完成其他復(fù)雜任務(wù)的基本要求，是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究中最基本的問(wèn)題。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制是指利用實(shí)時(shí)反饋的自身狀態(tài)信息，設(shè)計(jì)控制律使得機(jī)器人能夠跟蹤期望軌跡或者到達(dá)指定的目標(biāo)位姿。此外，隨著移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域和范圍的不斷擴(kuò)展，利用多個(gè)

2、移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作完成某項(xiàng)任務(wù)具有廣闊前景。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是指機(jī)器人之間合作關(guān)系確定后具體的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。本文以輪式移動(dòng)機(jī)器人作為應(yīng)用對(duì)象，以非線性控制理論和Lyapunov穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)，對(duì)自主移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和多移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問(wèn)題開(kāi)展了深入研究。全文內(nèi)容可分為兩部分，第一部分了研究存在非完整約束下移動(dòng)機(jī)器人的點(diǎn)鎮(zhèn)定和軌跡跟蹤問(wèn)題。第二部分研究了多移動(dòng)機(jī)器人編隊(duì)控制和協(xié)同目標(biāo)跟蹤問(wèn)題。論文的主要研究工作和貢獻(xiàn)如下:
　　1)針對(duì)非

3、完整輪式移動(dòng)機(jī)器人的同時(shí)鎮(zhèn)定和跟蹤控制問(wèn)題，基于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型提出了新的時(shí)變反饋控制律，使得移動(dòng)機(jī)器人能夠在一個(gè)統(tǒng)一框架下實(shí)現(xiàn)對(duì)期望點(diǎn)的鎮(zhèn)定和期望軌跡的跟蹤。通過(guò)在控制策略中引入一個(gè)時(shí)變信號(hào)，使得控制律能夠自適應(yīng)地和平滑地在鎮(zhèn)定律和跟蹤控制律之間轉(zhuǎn)換，并利用Lapunov理論證明了鎮(zhèn)定或跟蹤誤差的漸近收斂性。
　　2)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型中含未知參數(shù)的情形，提出了自適應(yīng)反演控制策略，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)給定軌跡的鎮(zhèn)定和跟蹤。在運(yùn)動(dòng)

4、學(xué)控制律的基礎(chǔ)上利用反演方法設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)矩控制律;并針對(duì)動(dòng)力學(xué)模型中的未知參數(shù)，設(shè)計(jì)了參數(shù)自適應(yīng)律，保證了控制誤差的收斂。
　　3)對(duì)同時(shí)考慮機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)約束和動(dòng)力學(xué)不確定性的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，利用反演技術(shù)和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制策略，使得機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)給定軌跡的跟蹤。首先根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型設(shè)計(jì)了速度控制器。然后基于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的非線性逼近特性在線學(xué)習(xí)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特征，并根據(jù)Lyap

5、unov理論推導(dǎo)出RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律，設(shè)計(jì)了魯棒自適應(yīng)力矩控制器，保證了系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。
　　4)針對(duì)多機(jī)器人編隊(duì)控制中的網(wǎng)絡(luò)連通保持問(wèn)題，分別對(duì)系統(tǒng)中無(wú)leader和含leader的情形提出了基于人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的分布式控制策略，使得多機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)期望的隊(duì)形，并始終保持通信網(wǎng)絡(luò)連通。設(shè)計(jì)人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)同時(shí)建模了隊(duì)形控制目標(biāo)的要求和網(wǎng)絡(luò)連通性保持的約束，保證了只要多機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)在初始狀態(tài)下是連通的，那么該多機(jī)器人系

6、統(tǒng)在隊(duì)形鎮(zhèn)定過(guò)程中總是保持連通的。
　　5)針對(duì)多非完整移動(dòng)機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)目標(biāo)追蹤問(wèn)題，利用反演設(shè)計(jì)方法在笛卡爾坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系下分別設(shè)計(jì)了控制律，使得多機(jī)器人系統(tǒng)能夠以期望的相對(duì)距離、環(huán)繞速度和角間距對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的追蹤?？刂坡稍O(shè)計(jì)中不需要假定目標(biāo)是勻速移動(dòng)甚至靜止的。我們給出了能夠?qū)崿F(xiàn)漸近跟蹤時(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度需滿足的條件。利用Lyapunov工具分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了方法的有效性。
　　最后，總結(jié)了本文的主要