自主式智能體的跟蹤控制問題研究.pdf

1、21世紀(jì)以自主式智能體(Autonomous Intelligent Agents)為代表的機(jī)器人系統(tǒng)得到了人們的廣泛關(guān)注。輪式移動機(jī)器人(Wheeled Mobile Robots, WMRs)和自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles, AUVs)是其中的典型代表。WMR和AUV分別能在陸地和水中自主執(zhí)行各種復(fù)雜的任務(wù),且在民用、工業(yè)及軍事領(lǐng)域方面有廣泛的應(yīng)用。在執(zhí)行海底石油管道和海底電纜維修檢

2、測、地形地貌探測、海洋觀測以及軍事應(yīng)用等任務(wù)時都需要智能體能夠高效精確地跟蹤特定曲線,這使得研究如何實現(xiàn)自主式智能體的跟蹤控制具有重要意義。其中AUV是一類比較復(fù)雜的非線性系統(tǒng),狀態(tài)向量之間相互耦合,控制難度較大。本文主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點現(xiàn)概括如下:
　　1.研究WMR及全驅(qū)動AUV的點鎮(zhèn)定問題。首先建立極坐標(biāo)系下的系統(tǒng)方程,基于Lyapunov方法得到運(yùn)動學(xué)控制器設(shè)計方法。其次,結(jié)合系統(tǒng)的動力學(xué)特性,利用Lyapunov方法和

3、Backstepping法將運(yùn)動學(xué)控制器拓展到動力學(xué),設(shè)計出光滑的控制律。仿真實例驗證設(shè)計方法的有效性。
　　2.提出WMR在有限時間內(nèi)的停車控制問題,即設(shè)計控制策略使機(jī)器人在有限時間內(nèi)?？吭陬A(yù)先給定的停車區(qū)域內(nèi)?；跇O坐標(biāo)系下機(jī)器人的非線性運(yùn)動模型,將機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)分解為原地轉(zhuǎn)動的線性系統(tǒng)及直線運(yùn)動和轉(zhuǎn)動結(jié)合的弱非線性系統(tǒng)兩種形式。利用Lyapunov設(shè)計方法,得到了在有限時間內(nèi)機(jī)器人到達(dá)給定停車區(qū)域的切換控制律,并給出了到

4、達(dá)給定區(qū)域所需時間的估算公式。仿真算例說明控制方法的有效性。
　　3.基于級聯(lián)方法研究一類質(zhì)心和幾何中心不重合的WMR的自適應(yīng)軌跡跟蹤控制問題和海流影響下AUV的軌跡跟蹤問題。將跟蹤誤差分解為位置和方位角誤差兩個子系統(tǒng),利用Backstepping法和Lyapunov方法設(shè)計位置跟蹤控制器,利用Lyapunov方法設(shè)計航向角跟蹤控制器。對于WMR,針對參數(shù)未知的情況,通過自適應(yīng)方法進(jìn)行參數(shù)估計,給出自適應(yīng)軌跡跟蹤控制律的設(shè)計方法,

5、并保證軌跡跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于欠驅(qū)動AUV系統(tǒng),給出海流影響下軌跡跟蹤控制器的設(shè)計方法,同時給出了部分控制器參數(shù)的調(diào)整方法。
　　4.研究海流影響及參數(shù)不確定條件下 AUV的地形跟蹤控制?；赟erret-Frenet坐標(biāo)系,建立海流影響下的路徑跟蹤誤差方程,并引入額外的系統(tǒng)自由度來達(dá)到控制目的。利用 Lyapunov方法設(shè)計 AUV的運(yùn)動學(xué)跟蹤控制器,然后采用Backstepping法得到動力學(xué)跟蹤控制器,最后針對AUV參數(shù)未

6、知的情況,給出其自適應(yīng)控制方案。給出不同地形仿真實例與效果圖,驗證控制方法的可行性。
　　5.研究時滯依賴的非線性AUV系統(tǒng)的H∞控制。通過對Fossen提出的AUV六自由度模型的簡化,給出非線性四自由度的AUV數(shù)學(xué)模型,并考慮到時滯和海流、風(fēng)浪等因素的影響,得到不確定時滯系統(tǒng),采用線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)方法和積分不等式技術(shù)得到時滯依賴的H∞控制律的設(shè)計方法,仿真結(jié)果表明所設(shè)計