相比于其他传统的移动机器人,球形机器人具有运动灵活、能耗小以及受恶劣环境影响小等独特的优点,因此在反恐、复杂地形探测以及外太空探索等诸多领域有广泛的应用前景。但目前球形机器人的控制问题已成为阻碍其广泛应用的主要因素之一,而轨迹跟踪问题是实际中球形机器人最常遇到的问题,也是球形机器人的关键控制问题。本文以一种含立体视觉的重摆式球形机器人为研究对象,主要针对球形机器人系统中的输入受限以及安装视觉相机引起的反馈状态时滞进行轨迹跟踪控制器设计,并对控制器的稳定性及有效性进行理论分析和仿真研究。本文的主要研究内容如下:1、由于Routh方程便于构建状态方程的特点,本文采用Routh方程建立球形机器人的理论动力学模型。通过MATLAB仿真和ADAMS虚拟样机仿真的对比,说明了动力学模型的准确性。为便于控制器设计,基于合理的假设对模型进行简化,得到对应的控制模型。2、PID算法结构简单,在实际工程中应用广泛,然而目前PID算法在球形机器人轨迹跟踪控制中的应用较少。单纯的PID并不能满足球形机器人轨迹跟踪的需求,因此本文将PID控制方法与自适应控制相结合,通过设计外环PI虚拟控制器,将控制器结构分为内外环,内环设计PI控制器实现轨迹跟踪控制,再引入自适应律对外扰进行估计,并对系统稳定性进行了证明。与现有的结构相同的PID控制器相比较,本文设计的自适应PI控制算法的跟踪精度更高。3、目前,球形机器人轨迹跟踪控制的研究没有考虑输入受限的影响,而输入受限对于球形机器人系统的影响往往不能忽略。因此,本文将输入受限加入到球形机器人的轨迹跟踪问题中,基于Lyapunov函数设计了轨迹跟踪控制器,采用辅助系统对输入受限进行补偿,再结合干扰观测器对外扰进行处理,并进行了系统稳定性分析。通过与现有的结构相同但不含受限补偿的算法的比较仿真,说明了所设计的控制器具有更小的跟踪误差和更加平滑的力矩输入信号。4、针对含反馈时滞下的球形机器人轨迹跟踪控制问题,本文先对部分反馈状态含时滞的情况进行了研究。为保证对时滞反馈状态进行观测的同时使系统对外扰有一定鲁棒性,本文设计了滑模观测器。同时,本文将输入受限考虑在内,以辅助补偿系统对输入受限进行补偿。基于Lyapunov函数以及滑模观测器观测到的状态量,设计了轨迹跟踪控制器。通过不同时滞下的仿真,验证了轨迹跟踪控制的效果,并给出了输入力矩信号相对平滑的情况下时滞的大致范围,为算法的工程应用提供了参考。5、进一步将反馈时滞问题拓展到全部反馈状态均含时滞的情况,将问题转化为输入时滞问题进行研究。为保证系统对外扰和时滞的鲁棒性,基于Lyapunov函数以及平均值定理设计了轨迹跟踪鲁棒控制器,并设计辅助系统对输入受限和时滞同时补偿。以不同时滞下的仿真判定了满足轨迹跟踪效果并保证输入信号相对平滑的时滞的大致范围,为算法的工程应用提供了参考。图47幅,表6个,参考文献91篇。