小型履带式移动机器人控制系统设计

针对小型履带式移动机器人,设计了遥控与自主返航模式相结合的控制体系结构,并对机器人自主定位及路径跟踪技术进行重点介绍;信号正常的情况下,机器人在遥控模式下工作,信号中断后,启动自主返航模式,机器人根据路径规划的轨迹行驶到目标点;自主返航模式下,采用传感器信息融合技术提高了机器人定位精度,基于已有路径进行点跟踪控制,设计机器人跟踪控制律;基于履带式移动机器人平台及所述控制系统,对任意给定路径进行跟踪实验;结果表明,机器人可沿给定路径到达终点,且行驶轨迹光滑,验证了定位方法的精度以及跟踪控制律的有效性。该控制系统设计简单,可移植性高,可广泛应用于地面移动机器人领域。     

基于滑模控制的室内移动机器人路径跟踪

由于轮式移动机器人的运动受限性质,其轨迹跟踪成为控制领域的研究热点;Pioneer3-AT是一个高度灵活的差分驱动的机器人,具有良好的通用性和可靠性,特别适合于移动机器人学术研究;为解决一种可以在室内环境下执行任务的移动机器人的路径跟踪问题,以Pioneer3—AT移动机器人平台为原型机建立了移动机器人的数学模型;滑模变结构控制对被控系统的不确定性、外界扰动及参数摄动具有完全鲁棒性,利用特殊幂次函数构造一种新型滑模控制趋近律,采用该趋近律设计滑模控制律,进而提出一种新的滑模控制方法,利用李雅普诺夫定理证明了该方法的稳定性;采用所设计的滑模控制器对室内移动机器人进行路径跟踪实验,仿真结果验证了该方法的有效性。     

履带式移动机器人轨迹跟踪研究

详细分析了履带式移动机器人的受力特点,提出了一种适宜进行控制器设计的履带移动机器人模型.根据履带式移动机器人动力学模型和运动学模型,设计了机器人的轨迹跟踪控制器.利用Lyapunov稳定判据证明控制器的全局稳定性.在控制器的设计中考虑了履带一地面作用,引入参数对其描述.考虑到机器人动力学约束,引入机器人速度、加速度控制策略以保证机器人运动平滑.仿真实验验证了该方法的有效性和全局收敛.     

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。     

基于大数据聚类的移动机器人运动跟踪控制系统设计

目前研究的移动机器人运动跟踪控制系统控制过程易受到外界扰动影响,导致控制稳定性较差,运动跟踪准确性较差,为此,基于大数据聚类算法设计了一种新的移动机器人运动跟踪控制系统。硬件部分主控制器负责远程无线通讯,图像采集的数据传输和舵机驱动连接,驱动控制器为机器人行走提供动能保证;远程控制模块负责数据,图像和指令的传输;舵机控制模块机器人的行走、转向;软件部分首先通过大数据聚类的方法分析机器人移动步态,根据运动超声波传感器原理判定障碍物位置,考虑移动机器人运行状态与足端轨迹,构建机器人行走控制模型。通过髋关节调节机器人姿态,消除外部扰动对机器人姿态和运动速度的影响,得到抗扰动控制模型。实验结果表明,所设计系统在对机器人运动控制的稳定性及对抗外界扰动方法具有较好的性能,能够实现对移动机器人运动的准确跟踪。     

移动机器人轨迹跟踪快速终端滑模自抗扰控制

针对移动机器人动力学模型难以精确建立、运动过程中各种干扰对高精度轨迹跟踪造成偏航等问题,构造出一种快速终端滑模自抗扰控制器,实现了高速高精度轨迹跟踪控制目标。首先建立非完整移动机器人的干扰控制模型;然后运用扩张状态观测器实时监测系统未建模动态与各种干扰;同时将扩张状态量和系统反馈量作为快速终端滑模算法的系统变量;最后设计出一种快速终端滑模控制律,代替传统自抗扰算法中的非线性控制律,从而实现位姿的快速精确跟踪。该算法既克服了非线性误差控制律中参数繁杂不易整定的缺陷,又增强了系统鲁棒性和轨迹跟踪的动态品质。对比仿真实验验证了该控制算法的有效性和先进性。     

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。     

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。     

一种新型的移动机器人轨迹跟踪控制方法

主要是对非完整约束下移动机器人的轨迹跟踪控制进行了研究,提出了一种新型的基于移动机器人运动模型、具有全局渐近稳定性的跟踪控制方法。这种非线性控制方法主要分为前馈和反馈两个部分：前馈部分是一种滑模控制器,它是基于反演设计的思想设计了切换函数,采用指数趋近律,减少了滑模变结构控制的抖动,并使用Lyapunov第一法对控制系统进行了稳定性分析,证明了滑模跟踪控制器是稳定的;反馈部分是基于Lyapunov函数的方法设计的反馈控制器。通过前馈部分和反馈部分的相互作用,提高了移动机器人轨迹跟踪控制的精度。实验结果表明与一般的跟踪控制方法相比,控制效果明显改善,跟踪误差能在较短时间内收敛,具有很好的抗干扰性能。     

非完整四轮式移动机器人反演轨迹跟踪控制

根据非完整约束的四轮式移动机器人的运动学模型,对其轨迹跟踪控制策略进行了深入研究;采用反演控制的相关理论和方法,设计了移动机器人轨迹跟踪控制策略;该控制策略将系统分解为低阶子系统来进行处理,利用中间虚拟控制量和部分Lyapunov函数简化了控制器设计,并且具有全局渐近稳定性;此外,在控制策略中对相应的控制量设置了阈值,保证了移动机器人运动的平滑性;最后,对所设计控制器的稳定性和平滑性进行了仿真实验,验证了其正确性和有效性。     

移动机器人轨迹跟踪的参数自校正控制

根据移动机器人运动学模型,对两轮移动机器人的轨迹跟踪问题进行了研究。在动态反馈线性化的基础上,采用基于广义最小方差法实现参数的自校正并设计控制器,考虑到机器人的动力学约束,采取对移动机器人的线速度和角速度加以限制的控制策略,保证机器人的运动平滑。仿真结果表明了该方法的有效性和正确性。     

Motion Control of a Nonholonomic Mobile Manipulator in Task Space

In this paper, the motion control of a mobile manipulator subjected to nonholonomic constraints is investigated. The control objective is to design a computed‐torque controller based on the coupled dynamics of the mobile manipulator. The proposed controller achieves the capability of simultaneous tracking of a reference velocity for the mobile base and a reference trajectory for the end‐effector. The aforementioned reference velocity and trajectory are defined in the task space, such task setting imitates the actual working conditions of a mobile manipulator and thus makes the control problem practical. To solve this tracking problem, a steering velocity is firstly designed based on the first‐order kinematic model of the nonholonomic mobile base via dynamic feedback linearization. The main merit of the proposed steering velocity design is that it directly utilizes the reference velocity set in the task space without requiring the knowledge of a reference orientation. A torque controller is subsequently developed based on a proposed Lyapunov function which explicitly considers the coupled dynamics of the mobile manipulator to ensure the mobile base and end‐effector track the reference velocity and trajectory respectively. This proposed computed‐torque controller is able to realize asymptotic stability of both the base velocity tracking error and the end‐effector motion tracking error. Simulations are conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

非完整移动机器人轨迹跟踪自适应控制器设计

针对轮式移动机器人的非完整运动学模型,将自适应反演控制技术和李亚普诺夫稳定性理论应用于机器人轨迹跟踪控制,设计了具有全局渐近稳定性的自适应轨迹跟踪控制器,并在Matlab环境下实现了移动机器人对直线和椭圆2种轨迹追踪的仿真实验.实验表明:该控制方法在轨迹跟踪控制中有较好的航向跟踪效果,对机器人非完整系统模型的非线性特性...     

控制受限的移动机器人鲁棒跟踪控制器设计

研究了非完整移动机器人动力学模型中带有参数不确定和控制受限的鲁棒轨迹跟踪控 制器的设计问题.在建立移动机器人的全动态误差模型的基础上,应用滚动时域控制(RHC)和线 性矩阵不等式(LMIs)方法,设计了鲁棒跟踪控制器,在满足非完整和控制约束的条件下,实现了 机器人位置,导向角以及速度的同时渐近跟踪.系统稳定性的充分条件以LMI的形式给出.仿真 结果验证了提出方法的可行性和有效性.     

Robust formation control without velocity measurement of the leader robot

In this paper a control problem of leader–follower motion coordination of multiple nonholonomic mobile robots is addressed and subsequently in the proposed scheme, a reference trajectory generated based on the information from the leader is tracked by the follower robots. To alleviate demanded information on the leader, specifically to eliminate the measurement requirement or estimation of the leader's velocity and dynamics, a virtual vehicle is constructed whereby its trajectory converges to the reference trajectory of the follower. Trajectory tracking controller is then designed to allow the follower robot to track the virtual vehicle using neural network approximation, in combination with the backstepping and Lyapunov direct design technique and finally the performance and effectiveness of the controller is verified throughout the experiments.     

基于改进型非线性干扰观测器的爬壁机器人轨迹跟踪

针对爬壁机器人建模不准确及容易受外部扰动的影响造成位置及姿态误差的问题,提出了一种基于改进型非线性干扰观测器的轨迹跟踪控制方案.首先通过反演控制设计了一个运动学控制器为机器人动力学控制提供参考质心速度与角速度.其次应用改进型非线性扰动观测器作为前馈控制对建模误差及外部扰动进行估计,并保证扰动误差以指数形式收敛.最后针对...     

Finite-time tracking control for multiple non-holonomic mobile robots based on visual servoing

This paper investigates finite-time tracking control problem of multiple non-holonomic mobile robots via visual servoing. It is assumed that the pinhole camera is fixed to the ceiling, and camera parameters are unknown. The desired reference trajectory is represented by a virtual leader whose states are available to only a subset of the followers, and the followers have only interaction. First, the camera-objective visual kinematic model is introduced by utilising the pinhole camera model for each mobile robot. Second, a unified tracking error system between camera-objective visual servoing model and desired reference trajectory is introduced. Third, based on the neighbour rule and by using finite-time control method, continuous distributed cooperative finite-time tracking control laws are designed for each mobile robot with unknown camera parameters, where the communication topology among the multiple mobile robots is assumed to be a directed graph. Rigorous proof shows that the group of mobile robots converges to the desired reference trajectory in finite time. Simulation example illustrates the effectiveness of our method.     

From Trajectory Tracking Control to Leader–Follower Formation Control

Abstract

This work investigates the leader–follower formation control of multiple nonholonomic mobile robots. First, the formation control problem is converted into a trajectory tracking problem and a tracking controller based on the dynamic feedback linearization technique drives each follower robot toward its corresponding reference trajectory in order to achieve the formation. The desired orientation for each follower is selected such that the nonholonomic constraint of the robot is respected, and thus the tracking of the reference trajectory for each follower is feasible. An adaptive dynamic controller that considers the actuators dynamics in the design procedure is proposed. The dynamic model of the robots includes the actuators dynamics in order to obtain the velocities as control inputs instead of torques or voltages. Using Lyapunov control theory, the tracking errors are proven to be asymptotically stable and the formation is achieved despite the uncertainty of the dynamic model parameters. In order to assess the proposed control laws, a ROS-framework is developed to conduct real experiments using four ROS-enabled mobile robots TURTLEBOTs. Moreover, the leader fault problem, which is considered as the main drawback of the leader–follower approach, is solved under ROS. An experiment is conducted where in order to overcome this problem, the desired formation and the leader role are modified dynamically during the experiment.     

多移动机器人轨迹跟踪控制系统设计与实现

针对轮式移动机器人的轨迹跟踪控制问题,在分析了机器人运动学模型的基础上,构建多机器人的领航-追随模型;采用跟踪微分器在输入输出两端安排过渡过程,设计了一种基于多变量解耦的非线性PID轨迹跟踪控制器;搭建以Arduino Mega 1280控制板为核心的移动机器人实验平台,采用速度PID控制器以满足机器人驱动电机的实时调速要求,基于ROS提出一种结构化和模块化的多机器人控制系统;在此基础上进行实验,并将实验结果与传统PID方法控制的实验结果进行对比;实验结果验证了文章所提算法的有效性,控制器易于实现且具有一定的鲁棒性。