轮式移动机器人轨迹跟踪的最优控制

深入分析了轮式移动机器人的运动状态,建立了WMR路径偏差系统的非线性数学模型。应用小偏差线性化理论,将该多输入多输出非线性系统简化成一个单输入单输出线性系统。然后基于线性二次型调节器理论进行了系统最优控制器的设计,并针对该理论中加权矩阵Q与R难以确定的问题,从控制效果出发,采用自适应遗传算法对其进行了优化。实现了移动机器人对预定轨迹的满意鲁棒跟踪,同时满足了实时性要求。实验结果证明了该方法的正确性与实用性。     

轮式移动机器人路径跟踪控制方法研究

针对轮式移动机器人的路径跟踪问题,提出了一种基于动态预瞄的移动机器人路径跟踪控制方法.根据差速轮式移动机器人运动学模型和实时位置信息,建立路径跟踪偏差模型,并采用构建虚拟运动路径的方式设计移动机器人路径跟踪控制方法,结合路径跟踪偏差模型,实时调整移动机器人的运动状态,不断缩小运动过程中的偏差,最终实现路径跟踪.实验结果...     

Target Tracking Algorithm Using Finite-time Convergence Smooth Second-order Sliding Mode Controller for Mobile Robots

Target tracking control for wheeled mobile robot (WMR) need resolve the problems of kinematics model and tracking algorithm.High-order sliding mode control is a valid method used in the nonlinear tracking control system,which can eliminate the chattering of sliding mode control.Currently there lacks the research of robustness and uncertain factors for high-order sliding mode control.To address the fast convergence and robustness problems of tracking target,the tracking mathematical model of WMR and the target is derived.Based on the finite-time convergence theory and second order sliding mode method,a nonlinear tracking algorithm is designed which guarantees that WMR can catch the target in finite time.At the same time an observer is applied to substitute the uncertain acceleration of the target,then a smooth nonlinear tracking algorithm is proposed.Based on Lyapunov stability theory and finite-time convergence,a finite time convergent smooth second order sliding mode controller and a target tracking algorithm are designed by using second order sliding mode method.The simulation results verified that WMR can catch up the target quickly and reduce the control discontinuity of the velocity of WMR.     

轮式移动机器人路径跟踪的模糊自整定PID控制

本文建立了二自由度轮式移动机器人路径跟踪的动力学模型,并设计了自整定模糊PID控制器,利用模糊推理的方法,对PID控制器的参数进行自动整定。仿真实验用常规增量式PID控制和自整定模糊PID控制算法结合进行航向跟踪,结果表明该算法与常规PID算法相比,系统误差减少了20%左右,响应时间减小到原来的0.4,有效地改善了控制器的动态性能,同时表现出了较好的自适应能力,路径跟踪仿真结果表明,轮式移动机器人能够迅速向目标路径靠拢,并能平稳地践踏规划路径。     

Output feedback controller design for input time-delayed nonlinear system

The linearization of an input/output controller has been designed for an input time delay nonlinear time discretized nonlinear system. The time discretized nonlinear model has been obtained based on Taylor-Lie series expansion method and zero order hold assumption. The resulting control algorithm enables the time delay nonlinear system control, while the continuous time controller cannot handle a time delay nonlinear system due to its infinite dimensionality. The performance of the proposed controller is evaluated by using two different case studies: a Van Der Pol equation and a Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) system that all exhibit nonlinear behavior and input time delay. For all the case studies, the results validate the proposed methods.     

自主导航小车(AGV)轨迹跟踪的模糊预测控制

针对非完整约束的轮式移动机器人WMR轨迹跟踪问题,以差速驱动式轮式移动机器人XAUT.AGV100为研究对象,对WMR的运动控制问题作了进一步的研究。本文在分析现有移动机器人运动控制方法的基础上,充分利用模糊控制和预测控制的优点,将模糊控制的思想引入到预测控制中,设计了模糊预测控制算法,并采用此方法控制自主导航小车AGV以提高其轨迹跟踪的快速性和运动的平稳性。理论仿真分析和实验研究均证明,采用所设计的模糊预测方法控制AGV,可有效提高AGV轨迹跟踪的快速性和运动平衡性。     

Adaptive tracking control of two-wheeled welding mobile robot with smooth curved welding path

This paper proposes an adaptive controller for partially known system and applies to a two-wheeled Welding Mobile Robot (WMR) to track a reference welding path at a constant velocity of the welding point. To design the tracking controller, the errors from WMR to steel wall is defined, and the controller is designed to drive the errors to zero as fast as desired. Additionally, a scheme of error measurement is implemented on the WMR to meet the need of the controller. In this paper, the system moments of inertia are considered to be partially unknown parameters which are estimated using update laws in adaptive control scheme. The simulations and experiments on a welding mobile robot show the effectiveness of the proposed controller.     

基于Backstepping的轮式移动机器人镇定研究与实验验证

根据轮式移动机器人的运动学模型,基于Back-stepping方法,构造了轮式移动机器人镇定系统的李雅普诺夫函数,并通过使李雅普诺夫函数负定,设计了移动机器人镇定控制律.轮式移动机器人的仿真实验以及实际的控制实验表明,该方法能使轮式移动机器人的伍姿从任意θ(0)≠0的初始状态渐近收敛到原点.     

基于SimMechanics的轮式移动机器人轨迹仿真

轮式移动机器人因具有非完整约束的不可积分性,其控制与规划等问题变得相当困难与复杂.利用SimMechanics工具,通过对轮式移动机器人平面运动的分析,建立了轮式移动机器人的运动学模型,并对其运动进行了多次的仿真,得到其运动轨迹,通过与理论轨迹的对比,验证了运动模型的正确性.该模型还提供了参数输入的接口,能够根据实际的...     

基于贝塞尔曲线的机器人非时间轨迹跟踪方法

在复杂环境的轨迹跟踪过程中,针对移动机器人不确定时延导致控制品质下降问题,提出基于五次贝塞尔(Quintic Bezier)曲线的移动机器人非时间参考轨迹跟踪控制方法。首先,利用Quintic Bezier曲线对规划路径点进行平滑,并根据连续约束进行优化,完成多段Quintic Bezier曲线的光顺拼接,获得平滑且连续的轨迹;而后以Quintic Bezier曲线参数u作为中间映射量,构建路径长度与轨迹坐标间的状态映射模型,设计移动机器人非时间运动参考量;在此基础上,根据移动机器人运动学模型,提出一种奇异点旋转映射技术,消除奇异点对轨迹跟踪控制品质的影响。实验结果说明,所用方法能提高规划路径的平滑性与连续性,增强移动机器人不确定时延跟踪控制的鲁棒性,避免了奇异点的影响。     

主动嗅觉轮式移动机器人的系统设计及定位方法研究

在分析研究嗅觉定位理论原理的基础上,结合移动机器人技术,设计出一种能够自主完成气源定位的轮式机器人系统。该机器人系统是以Freescale半导体公司生产的16位MCU(MC9S12XDT512)为核心控制器,采用气体传感器阵列作为路径识别单元,结合轮式移动平台,配合Z字型控制搜索算法对轮式机器人进行控制完成了气体定位。在实验室现场测试中,以15 m作为起始距离,经过10次实验,误差小于5%,实现了气源定位的功能。在机器人行走机构设计上、实验方案的制定上进一步优化,则可有效地减小误差。     

Kinematics of wheeled mobile robots on uneven terrain

This paper deals with the kinematic analysis of a wheeled mobile robot (WMR) moving on uneven terrain. It is known in literature that a wheeled mobile robot, with a fixed length axle and wheels modeled as thin disk, will undergo slip when it negotiates an uneven terrain. To overcome slip, variable length axle (VLA) has been proposed in literature. In this paper, we model the wheels as a torus and propose the use of a passive joint allowing a lateral degree of freedom. Furthermore, we model the mobile robot, instantaneously, as a hybrid-parallel mechanism with the wheel–ground contact described by differential equations which take into account the geometry of the wheel, the ground and the non-holonomic constraints of no slip. We present an algorithm to solve the direct and inverse kinematics problem of the hybrid-parallel mechanism involving numerical solution of a system of differential-algebraic equations. Simulation results show that the three-wheeled WMR with torus shaped wheels and passive joints can negotiate uneven terrain without slipping. Our proposed approach presents an alternative to variable length axle approach.     

差速驱动式移动焊接机器人动力学建模

采用牛顿-欧拉法,分析差速驱动式移动焊接机器人系统的左右驱动轮和机器人本体对焊炬点的动力学行为.为了实现机器人本体和滑块的联合控制,进一步研究滑块的动力学行为,建立了移动焊接机器人系统完整的动力学模型.由于模型的复杂性和不确定影响因素,基于动力学模型进行控制器的设计是不切实际的.为便于控制器的设计,最后结合实际应用情况对模型进行合理简化,并转化为状态空间方程.应用Matlab对移动焊接机器人进行动力学仿真建模,模型的建立为差速驱动式移动焊接机器人的机构设计、稳定性分析以及控制器设计提供了理论依据.     

系统辨识在轮式移动机器人转向系统中的应用

应用系统辨识方法对轮式移动机器人转向系统的数学模型进行了研究.首先对系统施加合适的输入信号,记录系统的输出信号,并进行试验建模,最后推导出被控对象的数学模型.经过验证,辨识模型能够反映实际系统的特性,这种辨识方法是研究轮式移动机器人转向系统特性的一种可行方法.     

Sliding mode control of two-wheeled welding mobile robot for tracking smooth curved welding path

In this paper, a nonlinear controller based on sliding mode control is applied to a two-wheeled Welding Mobile Robot (WMR) to track a smooth curved welding path at a constant velocity of the welding point. The mobile robot is considered in terms of dynamics model in Cartesian coordinates under the presence of external disturbance, and its parameters are exactly known. It is assumed that the disturbance satisfies the matching condition with a known boundary. To obtain the controller, the tracking errors are defined, and the two sliding surfaces are chosen to guarantee that the errors converge to zero asymptotically. Two cases are to be considered : fixed torch and controllable torch. In addition, a simple way of measuring the errors is introduced using two potentiometers. The simulation and experiment on a two-wheeled welding mobile robot are provided to show the effectiveness of the proposed controller.     

基于事件的控制理论研究及其应用

基于事件的规划与控制系统是以非时间运动参考变量作为系统的描述参数,其相关理论内容包括系统的稳定性分析、能控能观性分析等都需要深入研究。针对某一类输入仿射非线性系统,利用非线性系统的反馈线性化理论证明基于事件控制的能控性问题,并在此基础之上利用非线性微分几何理论的能控分布和能观协分布基本概念研究非完整约束系统的基于事件控制的能控能观性问题。以两轮差动移动机器人为应用对象,进行相关分析工作。进行仿真,比较基于时间控制和基于事件控制的方法在时延系统中的控制效果,仿真结果表明基于事件控制能有效地克服系统随机时延带来的影响,在时延系统中明显优于基于时间的控制。     

一例非完整约束轮式移动机器人控制系统的设计

介绍了一例非完整约束轮式移动机器人机械结构及控制系统软硬件的设计。采用美国Cygnal公司新研制的C8051F005单片机作为机器人控制系统的CPU及瑞士MAXON公司的直流伺服电机作为双轮驱动单元,利用非完整约束条件和非完整约束运动规划原理,研制了一例非完整约束轮式移动机器人,该机器人可跟踪任意直线、圆弧曲线轨迹等,也可实现原地零半径旋转及任意轨迹运动。运动自主灵活。对直线及圆弧轨迹进行了跟踪实验。     

考虑外部扰动的四轮移动机器人运动轨迹控制优化方法

控制机器人的运动轨迹，有助于提高四轮移动机器人工作的整体性能，提出考虑外部扰动的四轮移动机器人运动轨迹控制优化方法，利用人工势场法根据机器人运动特点规划其运动轨迹。考虑外部扰动和不确定性因素，结合低通滤波器和滑膜控制器设计运动轨迹控制器，实现四轮移动机器人运动轨迹的优化控制。实验结果表明，所提方法的轨迹控制效果好，距离误差小，稳定性高。     

基于FSM的双轮机器人舞步行为建模与仿真

为了解决轮式机器人舞步运动建模复杂、调试时间长的问题,提出了一种基于有限状态自动机理论的双轮机器人舞步行为模型描述方法,并基于Matlab／Stateflow图形化的描述方法,实现了轮式机器人舞步行为的建模,设计了轮式机器人舞步行为的逻辑控制。仿真结果表明,构造的仿真模型可以模拟机器人舞步行为的实际过程。模块化的设计简洁清晰,设计与调试时问大幅度减少,成本降低,动作的可控性增强,该方法为轮式机器人舞步规划的实现提供了理论依据。     

简述轮式移动机器人控制系统中的传感器

传感器是轮式移动机器人的眼睛,轮式移动机器人用它感知周围环境,并且从周围环境中获取信息,以进行下一步操作.论文介绍了控制系统中各种传感器的原理和它在移动机器人中的应用.传感器是轮式移动机器人实现自动智能化控制的重要器件.轮式移动机器人控制系统中的传感器分为外部传感器和内部传感器.