自主移動機器人運動控制與協(xié)調(diào)方法研究.pdf

1、自主移動機器人是一個集環(huán)境自感知、動態(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)。移動機器人與工業(yè)機器人的不同之處在于它具有自主移動的能力，因而廣泛應用于工業(yè)、國防和太空探索等領域。運動控制是移動機器人完成其他復雜任務的基本要求，是移動機器人系統(tǒng)研究中最基本的問題。機器人運動控制是指利用實時反饋的自身狀態(tài)信息，設計控制律使得機器人能夠跟蹤期望軌跡或者到達指定的目標位姿。此外，隨著移動機器人應用領域和范圍的不斷擴展，利用多個

2、移動機器人協(xié)作完成某項任務具有廣闊前景。運動協(xié)調(diào)是指機器人之間合作關系確定后具體的運動控制問題。本文以輪式移動機器人作為應用對象，以非線性控制理論和Lyapunov穩(wěn)定性理論為基礎，對自主移動機器人運動控制和多移動機器人運動協(xié)調(diào)問題開展了深入研究。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機器人的點鎮(zhèn)定和軌跡跟蹤問題。第二部分研究了多移動機器人編隊控制和協(xié)同目標跟蹤問題。論文的主要研究工作和貢獻如下:
　　1)針對非

3、完整輪式移動機器人的同時鎮(zhèn)定和跟蹤控制問題，基于移動機器人運動學模型提出了新的時變反饋控制律，使得移動機器人能夠在一個統(tǒng)一框架下實現(xiàn)對期望點的鎮(zhèn)定和期望軌跡的跟蹤。通過在控制策略中引入一個時變信號，使得控制律能夠自適應地和平滑地在鎮(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)對于移動機器人動力學模型中含未知參數(shù)的情形，提出了自適應反演控制策略，同時實現(xiàn)對給定軌跡的鎮(zhèn)定和跟蹤。在運動

4、學控制律的基礎上利用反演方法設計了轉(zhuǎn)矩控制律;并針對動力學模型中的未知參數(shù)，設計了參數(shù)自適應律，保證了控制誤差的收斂。
　　3)對同時考慮機器人運動學約束和動力學不確定性的移動機器人系統(tǒng)，利用反演技術和RBF神經(jīng)網(wǎng)絡工具提出了神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制策略，使得機器人能夠?qū)崿F(xiàn)對給定軌跡的跟蹤。首先根據(jù)系統(tǒng)的運動學模型設計了速度控制器。然后基于系統(tǒng)的動力學模型，利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡良好的非線性逼近特性在線學習機器人的動力學特征，并根據(jù)Lyap

5、unov理論推導出RBF神經(jīng)網(wǎng)絡的權值自適應調(diào)節(jié)規(guī)律，設計了魯棒自適應力矩控制器，保證了系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。
　　4)針對多機器人編隊控制中的網(wǎng)絡連通保持問題，分別對系統(tǒng)中無leader和含leader的情形提出了基于人工勢場函數(shù)的分布式控制策略，使得多機器人系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)期望的隊形，并始終保持通信網(wǎng)絡連通。設計人工勢場函數(shù)同時建模了隊形控制目標的要求和網(wǎng)絡連通性保持的約束，保證了只要多機器人網(wǎng)絡在初始狀態(tài)下是連通的，那么該多機器人系

6、統(tǒng)在隊形鎮(zhèn)定過程中總是保持連通的。
　　5)針對多非完整移動機器人協(xié)同運動目標追蹤問題，利用反演設計方法在笛卡爾坐標系和極坐標系下分別設計了控制律，使得多機器人系統(tǒng)能夠以期望的相對距離、環(huán)繞速度和角間距對運動目標的追蹤?？刂坡稍O計中不需要假定目標是勻速移動甚至靜止的。我們給出了能夠?qū)崿F(xiàn)漸近跟蹤時運動目標速度需滿足的條件。利用Lyapunov工具分析了系統(tǒng)的穩(wěn)定性;仿真和實驗結(jié)果證明了方法的有效性。
　　最后，總結(jié)了本文的主要