【摘 要】
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在现代社会的蓬勃发展下,人类对自身生活质量水平的要求也在不断提升,这要求现代化的物质生产模式要不断升级,而使用机器人来提高社会生产的效率和质量已是当代社会的趋势。轮式移动机器人机动性能优异、电气结构简单、负载能力强、能量损耗低,因此在许多科技型领域中被普遍运用,例如用于物流货物搬运、军事爆破排险、家居室内服务、巡检工厂排查、焊接工业配件等。也因如此,轮式移动机器人的工作场所环境通常是没有统一标准的
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在现代社会的蓬勃发展下,人类对自身生活质量水平的要求也在不断提升,这要求现代化的物质生产模式要不断升级,而使用机器人来提高社会生产的效率和质量已是当代社会的趋势。轮式移动机器人机动性能优异、电气结构简单、负载能力强、能量损耗低,因此在许多科技型领域中被普遍运用,例如用于物流货物搬运、军事爆破排险、家居室内服务、巡检工厂排查、焊接工业配件等。也因如此,轮式移动机器人的工作场所环境通常是没有统一标准的,因此不确定的外部干扰往往会对移动机器人运行的稳定性造成影响,严重时甚至可能导致难以估计的损失。所以,研究如何克服外部干扰,提升轮式移动机器人在实际应用中的鲁棒性具有重要的实际意义。本文考虑了轮式移动机器人负载不确定和执行器存在饱和约束两种实际情形,并分别对这两种情形下如何实现鲁棒轨迹跟踪问题做出了研究,此外还通过实际的轨迹跟踪实验对理论成果进行了验证。本文主要研究工作内容如下:在轮式移动机器人负载不确定的情况下,基于双闭环控制框架设计了鲁棒轨迹跟踪控制器。在外环中,设计了一个光滑的非线性运动学控制器,用以生成可以实现轨迹跟踪的虚拟速度。在内环中,设计了一个非线性速度误差反馈控制器,控制轮式移动机器人跟踪运动学控制器生成的虚拟速度,从而间接实现轨迹跟踪。此外,还将移动机器人不确定负载的影响视为“总扰动”的一部分,设计了一个基于非线性函数的扩张状态观测器去实时估计“总扰动”,用于补偿控制输入提高系统鲁棒性。在轮式移动机器人的执行器存在饱和约束的情形下,基于双闭环结构提出了用于实现轨迹跟踪的饱和控制策略。在外环中,基于Backstepping技术设计了带有速度饱和约束的运动学控制器,其中使用了符号函数来提高了控制系统的响应速度及鲁棒性。在内环中,使用了扩张状态观测器来增强系统的鲁棒性,针对执行器存在的饱和约束的问题设计了积分滑模饱和控制器,用来快速响应运动学控制器生成的速度目标,同时增强系统的鲁棒性能。
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