拖掛式移動(dòng)機(jī)器人反饋鎮(zhèn)定與反向運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、目前，非完整系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題已經(jīng)成為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制理論研究的重要內(nèi)容。作為一個(gè)非完整系統(tǒng)，拖掛式移動(dòng)機(jī)器人一方面具有移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力，另一方面可以拓展移動(dòng)機(jī)器人的其它功能，如復(fù)雜和危險(xiǎn)環(huán)境下的貨物運(yùn)輸、飛機(jī)或火車貨物中轉(zhuǎn)等，因而具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。拖掛式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外控制理論研究的重要對(duì)象。與一般的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如輪式車型機(jī)器人、水面船舶、空間飛行器等相比，拖掛式移動(dòng)機(jī)器人除了牽引車和拖車橫向運(yùn)動(dòng)都存在非完

2、整約束外，又增加了兩個(gè)由于牽引連接所造成的完整約束，其運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題的難度更具挑戰(zhàn)性，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。為此，本課題將依托山東省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“拖掛式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制研究”，以拖掛式移動(dòng)機(jī)器人為非完整系統(tǒng)的研究對(duì)象，針對(duì)非完整系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題、跟蹤控制問(wèn)題以及實(shí)際應(yīng)用中的反向路徑跟蹤和反向平行泊車等問(wèn)題，展開(kāi)一類非完整系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題的研究。
　　首先通過(guò)分析系統(tǒng)的非完整約束和完整約束，建立了拖掛式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)

3、模型。基于微分幾何理論，引入了小時(shí)間可控性等概念，利用Li代數(shù)、可控性分布等工具對(duì)拖掛式移動(dòng)機(jī)器人的控制特性進(jìn)行了分析，并對(duì)拖掛式移動(dòng)機(jī)器人的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題是否滿足Brockett定理關(guān)于系統(tǒng)存在漸近穩(wěn)定的連續(xù)光滑控制律的必要條件進(jìn)行了論證。通過(guò)坐標(biāo)和輸入變換，本文給出了拖掛式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的鏈?zhǔn)叫问健；诖随準(zhǔn)较到y(tǒng)，可以對(duì)系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步研究。
　　鑒于類似非完整系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題不存在任何連續(xù)時(shí)不變的反饋控制方法，針

4、對(duì)拖掛式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題，基于鏈?zhǔn)较到y(tǒng)，利用有限時(shí)間高階滑模方法提出一種能夠在有限時(shí)間穩(wěn)定的非連續(xù)反饋控制律。為避免高階滑模方法的高頻振蕩現(xiàn)象，利用σ過(guò)程提出一種指數(shù)收斂穩(wěn)定的非連續(xù)反饋控制律。仿真實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的反饋控制律能夠有效的解決拖掛式移動(dòng)機(jī)器人的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題。
　　針對(duì)反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有等價(jià)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的虛擬牽引車，將牽引車的反向運(yùn)動(dòng)等價(jià)轉(zhuǎn)換為虛擬牽引車的正向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)擴(kuò)張，將系統(tǒng)精確反

5、饋線性化，基于線性化系統(tǒng)提出一種反饋鎮(zhèn)定控制方法，由于該方法在速度為零處奇異，其在本質(zhì)上還是一種非連續(xù)控制方式。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制方案有效的解決了拖掛式移動(dòng)機(jī)器人在反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的反饋鎮(zhèn)定問(wèn)題。此外，對(duì)于反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的直線路徑跟蹤問(wèn)題，論文利用視線導(dǎo)航法，結(jié)合模糊控制技術(shù)也設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器，能夠控制拖掛式機(jī)器人對(duì)多段直線路徑進(jìn)行跟蹤控制，仿真試驗(yàn)結(jié)果也證明了控制方法的有效性。
　　最后，基于拖掛式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，針

6、對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的反向路徑跟蹤問(wèn)題，利用視線導(dǎo)航法設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制方案，實(shí)物系統(tǒng)原機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制方案能夠有效的解決拖掛式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)直線路徑的反向跟蹤；針對(duì)平行泊車問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于路徑規(guī)劃的控制方案，通過(guò)對(duì)參考曲線路徑的跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)拖掛式移動(dòng)機(jī)器人從初始位形到平行位形的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制方案能夠有效的解決拖掛式移動(dòng)機(jī)器人的平行泊車問(wèn)題；針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題，利用快速隨機(jī)搜索樹(shù)算法設(shè)計(jì)了機(jī)器