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非完整约束轮式移动机器人鲁棒控制

作　者: 刘艳伟
导　师: 孙茂相
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 非完整约束鲁棒控制轮式移动机器人线性矩阵不等式镇定
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 280次
引　用: 4次
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内容摘要

现代自动控制技术的进步,为科学研究和空间探索工作开辟了更为广阔的空间,拓展了靠人力所不能及的新科学事业。自20世纪90年代到现在,人类逐步实现了6～10km深海探测;实现了对太阳系金星、火星、木星及木卫星等天体的探测。如果将机器人看作是一种能够扩展人类工作能力的有效工具,那么人类在认识和改造世界的过程中就不能没有机器人。在机器人应用领域中,移动机器人是一个重要分支,也是重要的发展方向,因此对移动机器人运动控制问题的研究,一直倍受关注。首先,本文在深入、系统的分析了非完整系统和轮式移动机器人控制方法的现状后,综述了非完整约束轮式移动机器人鲁棒控制问题,并简要阐述了关于非线性系统、鲁棒控制以及线性矩阵不等式等相关技术。由于非完整约束WMR运动学方程中约束条件的存在,使得在世界坐标系下的点镇定问题变得十分复杂。本文针对非完整约束移动机器人“纯滚动无滑动”这个约束条件,设计了一种在极坐标系下基于Lyapunov函数的全局渐进镇定控制器。该方法使约束条件不显含于运动方程中,通过光滑定常状态反馈控制律,实现平衡点的渐进镇定,使机器人可以镇定到任意点。在此基础上,为克服不确定扰动给系统带来的影响,设计出一种H_∞鲁棒控制器。严格来讲机器人运动系统既是非线性的,同时又存在各种不确定性扰动。往往正是因为这些不确定的扰动变量,使得对机器人系统的控制效果不能令人满意。本文采用LMI方法设计出一种H_∞观测器型控制器。该控制器对系统的不确定扰动有很强的鲁棒性。最后,用MATLAB工具软件对前面所述两种控制器进行了仿真实验。仿真结果验证了文中所用方法的合理性和有效性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
插图或附表清单  11-12
注释说明清单  12-13
1 绪论  13-22
  1．1 移动机器人发展概况  13-14
  1．2 移动机器人的分类  14-15
    1．2．1 按运动载体分类  14
    1．2．2 按控制体系结构分类  14
    1．2．3 按功能和用途分类  14
    1．2．4 按作业空间分类  14-15
    1．2．5 按智能水平分类  15
  1．3 轮式移动机器人  15-17
    1．3．1 全方位移动机器人与非全方位移动机器人  15-16
    1．3．2 完整约束与非完整约束  16-17
  1．4 移动机器人的基本控制问题  17-19
    1．4．1 轨迹跟踪  17-18
    1．4．2 路径跟踪  18
    1．4．3 点镇定  18-19
  1．5 移动机器人的控制方法  19-20
    1．5．1 鲁棒控制  19
    1．5．2 H_∞鲁棒控制  19
    1．5．3 变结构控制  19-20
    1．5．4 智能控制  20
  1．6 本论文主要工作  20-22
2 移动机器人数学模型  22-26
  2．1 坐标系基本定义  22-23
  2．2 机器人运动学模型  23-26
3 线性／非线性系统的预备知识  26-35
  3．1 镇定的基本概念  26-30
    3．1．1 状态反馈镇定问题  26
    3．1．2 状态反馈的可镇定条件  26-30
    3．1．3 状态反馈阵K的一般算法  30
  3．2 非线性系统中的一些概念  30-35
    3．2．1 非线性坐标变换与微分同胚  30-31
    3．2．2 仿射非线性系统  31
    3．2．3 向量场的导出映射  31-32
    3．2．4 李导数与李括号  32-33
    3．2．5 向量场集合的对和性  33
    3．2．6 控制系统的关系度  33-35
4 鲁棒控制的预备知识  35-41
  4．1 机器人系统的不确定性  35-36
    4．1．1 传感器的不确定性  35-36
    4．1．2 控制器的不确定性  36
    4．1．3 机器人模型不准确所带来的不确定性  36
    4．1．4 机器人所处的环境也有很大的不确定性  36
  4．2 鲁棒控制理论概述  36-37
  4．3 相关定义及定理  37-40
    4．3．1 系统的不确定性和鲁棒性  37
    4．3．2 系统的输入输出稳定性和内部稳定性  37-39
    4．3．3 不确定系统的鲁棒稳定性  39-40
  4．4 本章小结  40-41
5 线性矩阵不等式的预备知识  41-45
  5．1．1 标准线性矩阵不等式问题  41
  5．1．2 内点法介绍  41-42
  5．1．3 线性矩阵不等式的有关定理  42-45
6 WMR全局渐进镇定控制器设计  45-51
  6．1 问题描述  45-46
  6．2 全局渐进镇定控制器设计  46-47
  6．3 仿真实验  47-50
  6．4 本章小结  50-51
7 观测器型控制器设计  51-66
  7．1 状态重构问题与状态观测器  51
  7．2 全维观测器与降维观测器  51-53
    7．2．1 全维状态观测器  52-53
    7．2．2 降维状态观测器  53
  7．3 基于观测器型的H_∞控制器问题描述  53-56
    7．3．1 问题描述  53-54
    7．3．2 使用观测器型控制器的原因  54-56
  7．4 观测器型H_∞控制器设计  56-65
    7．4．1 移动机器人运动模型分析  56-58
    7．4．2 机器人模型的线性化  58
    7．4．3 控制器参数阵K、L的设计方法  58-62
    7．4．4 仿真实验  62-65
  7．5 本章小结  65-66
8 结论  66-67
参考文献  67-72
在学研究成果  72-73
致谢  73

非完整约束轮式移动机器人鲁棒控制

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