4 轮式移动机器人滑模变结构控制律设计 14

4。1 运动学模型的建立 14

4。2 切换函数的确定 15

4。3 滑模变结构控制律设计 16

4。4 本章小结 17

5 仿真与性能分析 18

5。1 模型实现 18

5。2 仿真及结果分析 22

5。3 本章小结 31

结论 32

致谢 33

参考文献 34

本科毕业设计说明书 第 1  页

1 绪论

1。1 研究背景及意义

由于一些特殊场合的需要，在 20 世纪 50 年代，科学家和工程师们研究出了可以移动并 替代人类进行工作的机械装置——力反应远程机械手。后为了改善其操作性并更好控制夹握 力度，工程师们将力反馈融入机械手的设计中。由于控制理论的不断发展，加之人们已经可 以熟练使用机械手等机械装置，于上世纪 60 年代第一次出现了移动机器人技术。

机器人按移动结构分主要有轮式、腿式、蛇行式、履带式、跳跃式、复合式[1]。轮式机 器人是一种应用较为广泛的移动机器人，也是一种典型的受非完整约束的复杂系统。Brockett 曾提出，受完整约束的系统可以通过完整约束条件求解出各状态变量，将原系统简化为低维 度无约束系统。从而，上述系统不具备该特性，也不适用于常规线性控制理论的控制。当机 器人受非完整约束时，由于不满足 Brockett 的光滑状态反馈镇定条件，所以不存在光滑或连 续的静、动态反馈镇定控制律[2]。由于这类非线性系统在生活中是广泛存在的，对这一领域 的研究具有实用价值。

1。2 移动机器人滑模控制轨迹跟踪技术研究现状

1。3 研究内容

本文主要针对轮式移动机器人的建模和轨迹跟踪控制律的设计进行研究。首先对于文中 研究的对象进行运动学模型的建立。接着利用 Lyapunov 函数进行控制律设计，期间采用改善 趋近律和部分项的替代削弱控制中可能出现的抖振问题。最后利用 Simulink 进行模型建立， 实现系统在等速和指数趋近律下对直线、圆、曲线轨迹的仿真。本文的章节安排为：

第一章绪论。主要介绍了本文的研究背景及意义，目前相关领域的研究现状和本文研究 的内容。对于研究现状的介绍，主要集中在轮式机器人和滑模控制这一研究领域。

第二章轮式移动机器人的运动学建模。介绍了非完整约束下的移动机器人及其结构特点。 另外，选定了本文研究的机器人的结构类型，对笛卡尔坐标系下的机器人运动学模型进行了 建立。

第三章滑模变结构控制方法基础。介绍了变结构控制的基本原理和控制方法，重点介绍 了切换函数的设计方法、改善趋近律的选定和滑模中抖振发生的原因及削弱方法。