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摘要轮式移动机器人技术是一门综合性的高新技术，具有广泛的应用领域和无限的市场潜力，受到越来越多的关注。滑模变结构控制是一种非线性鲁棒控制法，具有对系统的干扰和参数摄动具有完全自适应性、响应快、物理实现简单等优点，在机器人控制领域应用广泛。本文围绕轮式机器人轨迹跟踪控制问题，以滑模变结构控制方法为基础对轨迹跟踪控制器的设计进行研究。首先选定机器人物理学模型并推导出其运动学方程。随后，设计滑模控制器，实现轮式移动机器人的轨迹跟踪控制，并采用Lyapunov 函数稳定性分析法判定系统稳定。针对滑模控制中的抖振问题，采用改善趋近律方法实现消抖。最后使用MATLAB 软件平台仿真验证控制器对轨迹跟踪控制的有效性。28444
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毕业论文关键词 轮式移动机器人 滑模变结构控制 轨迹跟踪
Title Research on trajectory tracking control andSimulation for Wheeled Mobile Robot
AbstractWheeled mobile robot technology, marked with its wide application field andunlimited market potential, is an advanced comprehensive technique which hasattracted more and more attention. The sliding mode variable structure controlis a kind of nonlinear robust control method, which is widely applied in the fieldof robot control, by right of acting rapid and self-adapting to parameter uncertainand disturbance. Based on sliding mode variable structure control method, thisthesis, centering on trajectory tracking control of wheeled mobile robot, focusedon the design of trajectory tracking controller. Firstly, the robot physics modelwas selected and its kinematics equation was deduced. Then the sliding modecontroller was designed to realize the trajectory tracking control of wheeledmobile robot and Lyapunov function was used to analyze the stability of the system.Aiming at the chattering problem of sliding mode control, the reaching law methodwas adopted to eliminate chattering. Finally，the effectiveness of the controllerfor trajectory tracking control was simulated and verified on MATLAB softwareplatform.Keywords Wheeled mobile robot sliding mode variable structure controltrajectory tracking
目 次
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义. 1
1.2 移动机器人的发展现状. 2
1.3 移动机器人轨迹跟踪控制. 3
1.4 本文结构安排. 5
2 轮式移动机器人的建模 6
2.1 移动机器人的建模方法及相关假设. 6
2.2 移动机器人物理模型的选择. 7
2.3 移动机器人运动学模型的推导. 9
3 基于滑模变控制的轨迹跟踪控制律设计 12
3.1 滑模变结构控制理论简介. 12
3.2 滑模变结构控制的定义. 12
3.3 滑模变结构控制设计基础. 15
3.4 切换函数的确定. 18
3.5 控制律的设计. 20
4 轮式机器人仿真及控制性能分析 21
4.1 轮式机器人仿真模块的搭建. 21
4.2 仿真结果及系统性能分析. 24
结论 35
致谢 37
参考文献 38
1 绪论1.1 课题研究背景及意义自第一台机器人的研制起，机器人技术发展的脚步越来越快，目前已经深入到现代社会各个行业与领域。机器人技术不仅涉及到传统的计算机科学、传感器技术、信号处理、自动控制等学科，还融合了目前活跃的人工智能、仿生学等新兴技术[1]。两院院士宋健曾指出：“机器人学的进步和应用是当代最高意义的自动化[2]”。机器人的优越性，一方面体现在它能在工业应用中起到减轻员工负担、减少工作时长、转换生产模式的作用，另一方面体现在它能够代替人类深入到深海、太空等危险特殊的场景，保障人员安全。在机器人技术的发展过程中，人们发现固定于某一个位置操作的机器人并不能完全胜任各类任务，因此，移动机器人的研究成为了各个国家的重点研究内容，得到深入的研究与发展。作为机器人学的关键部分， 移动机器人目前已经成为智能机器人研究的热点问题。与固定机器人相比，移动机器人除了要完成特定任务，还要具有行走、对外感知、局部路径规划等能力，并且要求对工作环境有高适应性。在进行未知环境探索时，智能移动机器人一方面能够提升探测的可靠性，另一方面可以大大降低人员风险。在军事领域，移动机器人在排雷除险时能够减少士兵伤亡，在侦察敌情时具有更高的隐蔽性。在家庭服务领域，以智能扫地机器人为代表的移动机器人，已经步入商用阶段走向千家万户。移动机器人由外部环境感知系统、 内部决策规划系统以及移动系统等多个不同系统组成。在各个类型的移动机器人中，轮式机器人以其承载能力强、自身结构相对简单、移动速度较快、灵活性高等优势，有着最多的应用。轮式移动机器人顺利完成各项任务的前提是准确的轨迹跟踪，然而在实际应用中，因为其系统本身的延时性、高复杂度的非线性以及系统外各种扰动的存在，轮式机器人的轨迹跟踪控制往往达不到理想的控制效果。一直以来，围绕轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题，众多科研人员投入了大量的精力。