车式移动机器人系统的轨迹跟踪控制【开题报告】

毕业设计开题报告
电气工程及自动化
车式移动机器人系统的轨迹跟踪控制
一、选题的背景与意义
近年来，机器人的应用越来越广泛，从原来单一的制造业，逐渐拓展到像医疗、家务、娱乐等非制造业和服务行业。

它的出现有力的推动了科技的进步和社会经济的发展，带给人们巨大的经济财富。

机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，是人类最伟大的发明之一，其研究一直是国内外极为重视的高技术领域，各国的研究机构已经根据需要研制出多种不同用途的机器人。

移动机器人是机器人学中的一个重要分支，具有重要的军用和民用价值。

机器人分类有多种，按控制方式或自主水平来分，分为遥控式移动机器人、半自主式移动机器人和自主式移动机器人；按移动机构的结构来分，分为车式移动机器人、履带式移动机器人和步行式移动机器人。

其中，车式移动机器人（WMR）具有速度快、运动稳定以及能源利用率高等特点。

因此具有很高的使用价值和广泛的应用前景，目前正在向工程实用化方向迅速发展，也是目前智能机器人技术发展的主要方向之一。

本课题主要研究车式移动机器人的轨迹控制问题。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：
基本内容：
分析车式移动机器人系统的轨迹跟踪问题。

基于运动学模型分析，提出一种自适应的轨迹跟踪控制方法。

通过引入状态反馈实现系统的镇定，所使用的控制方法能够使四轮车式移动机器人在导航中具有理想的跟踪轨迹（直线和圆周两种轨迹）。

拟解决的主要问题：
（1）机器人运动学模型的建立
（2）自适应轨迹跟踪控制问题
（3）最优控制器的设计
（4）实现一定的抗干扰能力
三、研究的方法与技术路线：
技术路线：
采用滑模变结构实现对移动机器人的轨迹跟踪控制。

滑模变结构控制是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。

系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。

由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性，对非线性系统的控制具有良好的控制效果。

首先建立机器人的运动学模型。

移动机器人的运动学方程为：
（1）
对具有位姿指令和速度指令参考小车的跟踪。

移动机器人从位姿移动到位姿，移动机器人在新坐标系
中坐标为：
（2）
其中。

设新坐标系与坐标系之间的夹角为。

根据坐标变化公式，可得到描述移动机器人位姿的误差方程为：
（3）
由此可以得到位姿误差微分方程为：
（4）
移动机器人运动学模型的轨迹跟踪即寻找控制输入，使其对任意的初始误差，系统式（4）在该控制输入作用下，有界，且。

接着设计机器人的滑模跟踪控制器
其原理可简述为在系统控制过程中,控制器根据系统当时状态,以跃变方式有目的地不断变换,迫使系统按预定的“滑动模态”的状态轨迹运动。

变结构是通过切换函数实现的,特别要指出的是,通常要求切换面上存在滑动模态区,故变结构控制又常被称为滑动模态控制。

设计变结构控制系统基本可分为两步：
(1) 确定切换函数S(x) ,即开关面,使它所确定的滑动模态渐近稳定且有良好的品质,开关面代表了系统的理想动态特性。

(2) 设计滑模控制器,使到达条件得到满足,从而使趋近运动(非滑动模态)于有限时间到达开关面,并且在趋近的过程中快速、抖振小。

移动机器人运动学模式即公式（4），是一个多输入非线性系统，其切换函数可以采用Backstepping 方法来设计。

Backstepping方法亦称反步控制法，它是基于Lyapunouv稳定性理论，以一种递归的方式构造出Lyapunovi函数，并推导出使整个闭环系统呈Lyapunov稳定的控制律的设计方法。

反步控制法的基本思想是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统设计部分Lyapunov函数(简称矿函数)和中间虚拟控制量，一直“后退”到整个系统，将它们集成起来完成整个控制律的设计。

反步控制法适用于可状态线性化或具有严参数反馈的不确定非线性系统。

最后进行软件仿真。

采用MATLAB软件对圆形和直线两种线路分别进行仿真。

观察结果并对程序进行修改，使其具有一定的抗干扰能力和较为准确的轨迹跟踪。

四、研究的总体安排与进度：
2010年12月——2011年1月选题、完成外文翻译、文献综述、开题报告。

2011年1月——2011年2月完成设计的准备工作：熟悉matlab编程软件和simulink工具箱对系统进行建模仿真。

2011年2月——2011年3月完成程序的编写，修改工作。

2011年3月——2011年4月进行仿真并分析结果，完成毕业论文。

五、主要参考文献：
[1]李建华，庄健，王孙安。

基于综合导向的轮式移动机器人自适应轨迹跟踪控制[J].西安交通大学
学报，2005.3，第39卷，第3期。

[2]李世华，田玉平。

移动小车的轨迹跟踪控制[J]。

控制与决策，2000,15（5）：626-628.
[3]叶涛，侯增广，谭民，李磊，陈细军。

移动机器人的滑模轨迹跟踪控制。

高技术通讯，2004,1：71—74
[4]吴卫国，陈辉堂，王月娟。

移动机器人的全局轨迹跟踪控制。

自动化学报，2001,27（3）：326—331
[5]张立勋，卜迟武。

基于全局视觉的服务机器人滑模轨迹跟踪控制。

辽宁工程技术大学学报，2009
年，第28卷第1期。

[6]王超越，景兴建。

非完整约束移动机器人人工场导向控制研究[J]。

自动化学报，2002,28（5）：777—783.
[7]刘钰。

轮式移动机器人滑模轨迹跟踪控制研究。

金陵科技学院学报，2009年9月，第25卷，第3期。

[8]蔡自兴。

机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000：22_26
[9]熊蓉,张翮,禇健等．四轮全方位移动机器人的建模和最优控制[J].控制理论与应用2006.23 (1) :93—98..
[10]刘金琨.滑模变结构控制MA TLAB仿真.北京:清华大学出版社,2005:262_265
[11] Farzad Pourboghrat , Mat tias P Karlsson. Adaptive Control of Dynamic Mobile Robot with
Nonholonomic Constraints [J].Computers and Electrical Engineering ,2002 ,28 :241 - 253
[12]Song Yongduan,Gao Weibing.A Variable Structure Path Tracking Control Strategy for Robotics
Applications[J]:Control Theory And Applicationgs: Mar,1991,Vol.8,No.1.
[13]D.V. Dimarogonas, S.G. Loizou, K.J. Kyriakopoulos, M.M. Zavlanos, A feedback stabilization and
collision avoidance scheme for multiple independent nonpoint agents, Automatica 42 (2) (2006) 229–243。