基于视觉图像的全向移动机器人轨迹跟踪控制研究

机器人轨迹节点跟踪比较难,导致机器人实际轨迹偏离期望轨迹,所以设计基于视觉图像的全向移动机器人轨迹跟踪控制方法;构建全向移动机器人的运动学数学模型,以此确定机器人移动轨迹数学模型;以移动轨迹数学模型为基础,按照视觉图像划分标准对全向移动机器人运动图像的分割,通过分离目标节点的方式提取运动学特征参量,完成机器人轨迹节点跟踪处理;结合节点跟踪处理结果,将运动学不等式与误差向量作为机器人轨迹跟踪控制的约束条件,利用滑模变结构搭建轨迹跟踪控制模型,实现全向移动机器人轨迹跟踪控制;对比实验结果表明,所设计的方法应用后,全向移动机器人角速度曲线、线速度曲线与期望运动轨迹曲线之间的贴合程度均超过90%,满足全向移动机器人轨迹跟踪控制要求。     

基于轨迹跟踪车式移动机器人编队控制

针对车式移动机器人的运动学模型特点, 提出一种基于轨迹跟踪多机器人编队控制方法. 首先利用编队结构参数确定队形, 根据编队轨迹和相关参数生成虚拟机器人, 把编队控制转化为跟随机器人对虚拟机器人的轨迹跟踪; 然后运用反步法构造车式移动机器人轨迹跟踪系统的Lyapunov 函数, 通过使该函数负定, 得到跟随机器人的轨迹跟踪控制器; 最后在Microsoft robotics developer studio 4 (MRDS4) 中搭建3D 仿真平台, 设计了3 组实验, 所得结果表明了所提出方法的有效性.     

带有未知参数和有界干扰的移动机器人轨迹跟踪控

针对模型参数未知和存在有界干扰的非完整移动机器人的轨迹跟踪控制问题,本文提出了一种鲁棒自适应轨迹跟踪控制器方法.非完整移动机器人的控制难点在于它的运动学系统是欠驱动的.针对这一难点,本文利用横截函数的思想,引入新的辅助控制器,使得非完整移动机器人系统不再是一个欠驱动系统,缩减了控制器设计的难度,进而利用非线性自适应算法和参数映射方法构造李雅谱诺夫函数.通过李雅普诺夫方法设计控制器和参数自适应器,从而使得非完整移动机器人的跟随误差任意小,即可以任意小的误差来跟随任意给定的参考轨迹.仿真结果证明了方法的有效性.     

轮式移动机器人固定时间轨迹跟踪控制

针对存在外部干扰的轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种固定时间轨迹跟踪控制方案.首先,对于轮式移动机器人的运动学误差模型,基于一种新颖的积分滑模面设计固定时间运动学速度控制器,使跟踪误差在固定时间收敛到原点所在的邻域内;其次,对于轮式移动机器人的动力学模型,设计固定时间干扰观测器对外部干扰信息进行估计,提出一种固定时间轨迹跟踪控制器,以确保动力学系统的固定时间稳定性,实现轮式移动机器人的高精度轨迹跟踪控制;最后,通过仿真结果验证所设计的轨迹跟踪控制方案的有效性.     

基于神经网络的不确定移动机器人鲁棒自适应跟踪控制

针对含运动学未知参数以及动力学模型不确定的非完整轮式移动机器人轨迹跟踪问题,基于Radical Basis Function(径向基函数)神经网络,提出了一种鲁棒自适应控制器.首先,考虑移动机器人运动学参数未知的情况,提出了一种含自适应参数的运动学控制器,用以补偿参数不确定性导致的系统误差;其次,利用神经网络控制技术,对于机器人在移动中动力学模型不确定问题,提出了一种具有鲁棒性的动力学控制器,使得移动机器人可以在不知道具体动力学模型的情况下跟踪到目标轨迹;最后利用Lyapunov稳定性理论证明了整个系统的稳定性.通过数值仿真验证了所设计的控制器的可行性.     

不确定非完整移动机器人的轨迹跟踪控制

具有未校准视觉参数的非完整移动机器人的运动学系统具有参数不确定性,较一般的运动学系统更加复杂.基于视觉反馈、Barbalat's定理和Lyapunov直接方法,研究了具有未标定摄像机参数的非完整移动机器人的轨迹跟踪问题.首先,利用固定在天花板上的针孔摄像机透视投影模型,提出了一种新的基于视觉伺服的移动机器人运动学跟踪误差模型;基于这个模型,提出了一种新的与未知视觉参数无关的动态反馈跟踪控制器.该控制器不仅保证系统的状态渐近跟踪给定参考轨迹,而且控制器是全局的,通过Lyapunov方法严格证明了闭环系统的稳定性.在惯性系和图像坐标系下讨论跟踪问题,使问题变的简单且设计的控制器更加有用.最后,仿真结果证实了所提出的控制器的有效性.     

Robust Adaptive Terminal Sliding Mode Control of an Omnidirectional Mobile Robot for Aircraft Skin Inspection

In this paper, an adaptive terminal sliding mode control scheme for an omnidirectional mobile robot is proposed as a robust solution to the trajectory tracking control problem. The omnidirectional mobile robot has a double-frame structure, which adsorbes on the aircraft surface by suction cups. The major difficulties lie in the existence of nonholonomic constraints, system uncertainty and external disturbance. To overcome these difficulties, the kinematic model is established, the dynamic model is derived by using Lagrange method. Then, a robust adaptive terminal sliding mode (RATSM) control scheme is proposed to solve the problem of state stabilization and trajectory tracking. In order to enhance the robustness of the system, an adaptive online estimation law is designed to overcome the total uncertainty. Subsequently, the asymptotic stability of the system without total uncertainty is proved with basis on Lyapunov theory, and the system considering total uncertainty can converge to the domain containing the origin. Simulation results are given to show the verification and validation of the proposed control scheme.

     

Simultaneous dynamic optimization: A trajectory planning method for nonholonomic car-like robots

Trajectory planning in robotics refers to the process of finding a motion law that enables a robot to reach its terminal configuration, with some predefined requirements considered at the same time. This study focuses on planning the time-optimal trajectories for car-like robots. We formulate a dynamic optimization problem, where the kinematic principles are accurately described through differential equations and the constraints are strictly expressed using algebraic inequalities. The formulated dynamic optimization problem is then solved by an interior-point-method-based simultaneous approach. Compared with the prevailing methods in the field of trajectory planning, our proposed method can handle various user-specified requirements and different optimization objectives in a unified manner. Simulation results indicate that our proposal efficiently deals with different kinds of physical constraints, terminal conditions and collision-avoidance requirements that are imposed on the trajectory planning mission. Moreover, we utilize a Hamiltonian-based optimality index to evaluate how close an obtained solution is to being optimal.     

Modeling and Control of Head Raising Snake Robots by Using Kinematic Redundancy

In this paper, we consider trajectory tracking control of a head raising snake robot on a flat plane by using kinematic redundancy. We discuss the motion control requirements to accomplish trajectory tracking and other tasks, such as singular configuration avoidance and obstacle avoidance, for the snake robot. The features of the internal motion caused by kinematic redundancy are considered, and a kinematic model and a dynamic model of the snake robot are derived by introducing two types of shape controllable point. The first is the head shape controllable point, and the other is the base shape controllable point. We analyzed the features of the two kinds of shape controllable point and proposed a controller to accomplish the trajectory tracking of the robot’s head as its main task along with several sub-tasks by using redundancy. The proposed method to accomplish several sub-tasks is useful for both the kinematic model and the dynamic model. Experimental results using a head raising snake robot which can control the angular velocity of its joints show the effectiveness of the proposed controller.     

基于Lyapunov方法和快速终端滑模的轨迹跟踪控制

针对移动机器人的运动学模型,提出一种具有全局渐近稳定性的跟踪控制器。该跟踪控制器的设计分为两部分：第一部分是采用全局快速终端滑动模态的思想设计了角速度的控制律,用来渐近镇定移动机器人跟踪的前向角误差;第二部分是采用Lyapunov方法设计了线速度的控制律,用来渐近镇定移动机器人跟踪的平面坐标误差。采用Lyapunov稳定性定理,证明了移动机器人在满足这些控制律条件下,实现了对参考轨迹的全局渐近跟踪。实验结果表明移动机器人能够有效地跟踪期望轨迹,有利于在实际应用中推广。     

含未标定摄像机参数的非完整移动机器人的自适应动力学跟踪控制

结合一类非完整移动机器人的运动学模型和链式转换,在质心与几何中心重合的情况下,研究含有未知参量的非完整移动机器人的跟踪控制问题.首先,利用针孔摄像机模型提出一种基于视觉伺服的运动学跟踪误差模型;然后在此模型下,将动态反馈、Back-stepping技巧与自适应控制相结合,设计一个区别于以往处理方法、含有两个动态反馈的自适应跟踪控制器,从而实现动力学系统的全局渐近轨迹跟踪,并通过李亚普诺夫方法严格证明闭环系统的稳定性和估计参数的有界性;最后,利用Matlab仿真验证所提出的控制器的有效性.     

三轮驱动移动机器人轨迹跟踪控制

针对三轮驱动移动机器人在轨迹跟踪控制过程中运动不平滑的问题,建立了移动机器人在一定运动约束条件下的运动学模型。根据移动机器人位姿误差微分方程的描述,设计了基于后退时变状态反馈方法的移动机器人轨迹跟踪控制器。基于李雅普诺夫方法,对轨迹跟踪控制器的稳定性进行了分析,证明了该控制器能够保证闭环系统全局一致渐进稳定。仿真结果验证了运动学模型的正确性,以及轨迹跟踪控制器的有效性。     

任意初态下的工业机器人迭代学习控制

对迭代初值为任意值的工业机器人轨迹跟踪控制系统,提出了一种基于滑模面的非线性迭代学习控制算法,使机器人轨迹能快速、精确跟踪上期望轨迹。基于有限时间收敛原理,构建了关于机器人轨迹跟踪误差的迭代滑模面,在滑模面内,机器人轨迹跟踪误差在预定时间内收敛到零。设计了基于滑模面的迭代学习控制算法,理论证明了随着迭代次数的增加,处于任意初态的轨迹将一致收敛到滑模面内,解决了迭代学习中的任意初值问题。数值仿真验证了该算法的有效性和抗干扰能力。     

基于速度空间的移动机器人同时避障和轨迹跟踪方法

针对有障碍物环境下非完整轮式 移动机器人的轨迹跟踪问题,提出一种基于速度空间的同时避障和轨迹跟踪方法(VSTTM).首先,根据机器人 的动力学特性构建速度空间,得到由速度元组构成的控制集;然后,构造目标函数并对各控制量进行 评价,其中跟踪误差评价函数评估跟踪效果,碰撞检测函数检测是否发生碰撞,终端状态惩罚项保证 算法的稳定性;最后,通过优化过程找到最优的无碰控制量.仿真结果表明了所提出方法的有效性.     

基于最优控制的仿人机器人行走振动抑制

针对仿人机器人行走过程中由腿部非刚性特性引起的振动,提出了一种基于最优控制的行走振动抑制方法．首先对振动进行建模,并将这一模型加入到原有机器人动力学模型中去．然后基于拓展的动力学模型,使用预观控制方法求取一条符合质心加速度约束的控制轨迹,作为求解最优控制问题的初始解．进而由此初始解出发,迭代求解此带约束的最优控制问题,利用得到的最优控制轨迹即能以前馈方式抑制行走过程中的振动．最后,使用预观控制方法和本文方法在仿人机器人“空”上进行行走对比实验．实验结果表明提出的方法显著减小了机器人行走过程中零力矩点（ZMP）的振荡和躯干的晃动．该方法对行走振动抑制的有效性得到了验证．     

Learning optimal trajectories for non-holonomic systems

Many advanced robotic systems are subject to non-holonomic constraints, e.g. wheeled mobile robots, space manipulators and multifingered robot hands. Steering these mechanisms between configurations in the presence of perturbations is a difficult problem. In fact, the divide et impera strategy (first plan a trajectory, then track it by feedback) has a fundamental drawback in this case: due to the peculiar control properties of non-holonomic systems, smooth feedback cannot provide tracking of the whole trajectory. As a result, it would be necessary to give up either accuracy in the final positioning or predictability of the actual motion. We pursue here a different approach which does not rely on a separation between planning and control. Based on the learning control paradigm, a robust steering scheme is devised for systems which can be put in chained form, a canonical structure for non-holonomic systems. By overparametrizing the control law, other performance goals can be met, typically expressed as cost functions to be minimized along the trajectory. As a case study, we consider the generation of robust optimal trajectories for a car-like mobile robot, with criteria such as total length, maximum steering angle, distance from workspace obstacles, or error with respect to an offline planned trajectory.     

Adaptive unified motion control of mobile manipulators

This paper presents a unified motion controller for mobile manipulators which not only solves the problems of point stabilization and trajectory tracking but also the path following problem. The control problem is solved based on the kinematic model of the robot. Then, a dynamic compensation is considered based on a dynamic model with inputs being the reference velocities to the mobile platform and the manipulator joints. An adaptive controller for on-line updating the robot dynamics is also proposed. Stability and robustness of the complete control system are proved through the Lyapunov method. The performance of the proposed controller is shown through real experiments.     

基于节能考虑的全向移动机器人鲁棒补偿轨迹跟踪控制

针对全向移动机器人在跟踪目标的过程中存在跟踪误差以及产生能量损耗的问题,首先构建一种新型机器人能耗模型,该模型能够有效预测机器人运行过程中各种能量消耗;其次,基于该能耗模型设置兼顾轨迹跟踪误差和能耗最小的性能指标函数,在其约束下,提出一种基于干扰鲁棒补偿的反馈节能控制器;然后,引入不确定性及干扰估计观测法,构建鲁棒补偿项,在满足能耗最优的前提下实现对外界干扰的有效抑制;最后,基于Lyapunov稳定性理论证明所提出的节能干扰鲁棒补偿控制系统是渐近稳定的.通过将所提出的控制器与比例微分控制器、$H_\infty$控制以及节能补偿控制进行比较,仿真结果表明,所提出的控制方法其控制精度更高、能量损耗更低、具有更强的鲁棒性.     

空间机器人最优能耗捕获目标的自适应跟踪控制

提出了一种能够引导末端执行器以期望速度跟踪目标的轨迹规划方法。该方法可以实现避障并满足关节限制要求。基于轨迹规划方法,设计了一种利用自由飘浮空间机器人跟踪与捕获章动自旋卫星的自适应控制策略。此外,该控制策略还考虑了最优能耗、测量误差和优化误差。首先,为了使执行器的跟踪误差和机械臂的能耗最小,将空间机器人的控制策略描述为一个关于关节速度、力矩和避障距离的不等式约束优化问题。然后,推导出一个系数为下三角矩阵的显式状态方程,并对目标函数进行解耦和线性化。设计了一种关节速度和力矩分段优化方法去代替传统的凸二次规划方法求解最优问题,这种方法具有较高的计算效率。最后,利用李雅普诺夫稳定性理论验证了所提控制方法的收敛性。     

考虑运动受限的履带式移动机器人轨迹跟踪控制

针对履带式移动机器人的轨迹跟踪控制问题进行研究,首先,建立了履带式移动机器人的运动学模型和跟踪误差模型;其次,设计了转速有限时间控制和线速度滑模控制的轨迹跟踪控制律,并给出了考虑运动受限作用下的控制律修正表达式;最后,基于MATLAB对所提控制律进行仿真,对比分析了不考虑运动受限情况下跟踪控制效果;结果表明,设计的跟踪控制律能够实现履带式移动机器人对圆轨迹的有效跟踪,且考虑运动受限作用的控制律更加符合实际;文章研究分析了运动受限作用对于移动机器人轨迹跟踪控制的影响,分析结果对其他移动机器人的运动控制研究具有参考价值。