基于动力学与控制统一模型的蛇形机器人速度跟踪控制方法研究

对带有被动轮的蛇形机器人进行速度跟踪控制时,利用传统的动力学建模方法得到的动力学方程复杂且不利于控制器的设计. 本文基于微分几何的方法将带有被动轮的蛇形机器人动力学投影到速度分布空间中, 得到了动力学与控制统一模型, 更有利于速度跟踪控制器的设计. 考虑到蛇形机器人在进行速度跟踪时容易出现奇异位形, 提出增加头部扰动速度的方法. 基于头部扰动速度和统一模型, 提出避免奇异位形的速度跟踪控制方法, 最后通过逆向动力学得到控制力矩. 文中对速度跟踪控制进行了数值仿真和实验验证. 仿真和实验结果表明, 提出的速度跟踪控制方法能够跟踪想要方向的速度, 并且在跟踪过程中可以有效地避免奇异位形.     

基于T-S模型的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

针对带有执行机构饱和约束与外部干扰的轮式移动机器人,提出了一种基于T-S模糊模型的轨迹跟踪方法.利用机器人运动特性和参考轨迹建立轨迹跟踪的误差系统并将其作T-S模型描述.通过求解具有LMI约束的半定规划问题,对每个线性子系统单独设计满足控制约束与H∞性能约束的状态反馈控制器,并在PDC(动态平行分配补偿)设计框架下构建全局控制器,最后证明闭环系统的李雅普诺夫稳定性.仿真结果验证了该方法的有效性和可行性.     

机器人鲁棒控制器参数演化设计

论文将讨论具有控制输入幅值限制的机器人轨迹跟踪控制问题。将利用基于信号补偿的鲁棒控制方法设计机器人的子关节系统控制器。该控制器由标称控制器和鲁棒补偿器组成。标称控制器对于一标称受控对象实现所希望的轨迹跟踪特性,鲁棒补偿器则用于减小实际受控对象和标称受控对象之间的差异对跟踪特性的影响。当输入存在饱和约束的情况下,对鲁棒补偿器进行了修改,并且基于演化寻优的方法求取鲁棒补偿器参数。     

侧滑打滑时的WMR抗饱和模糊超螺旋滑模控制

针对侧滑打滑干扰和执行器饱和约束导致轮式移动机器人(WMR)轨迹跟踪困难的问题,提出一种抗饱和模糊超螺旋滑模控制策略.根据WMR的轨迹跟踪误差模型,设计运动学控制器,得到辅助速度控制律;采用反步法思想,设计抗饱和模糊超螺旋滑模动力学控制器,通过饱和约束辅助系统实现抗饱和控制,并引入模糊自适应律,动态调整超螺旋控制律参数...     

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。     

滑动与打滑条件下的轮式移动机器人自抗扰跟踪控制

针对具有未知的滑动与打滑的轮式移动机器人(WMR),提出了一种基于自抗扰思想的跟踪控制策略.首先建立了滑动与打滑条件下的轮式移动机器人动力学模型.其次,由反步法设计运动学控制器,基于模型设计线性扩张观测器和动力学控制器,并给出了控制器稳定性分析.最后与积分滑模控制进行了仿真对比,结果表明该控制方法的误差收敛速度更快.观测器能够精确估计滑动与打滑及动力学不确定性对机器人的扰动,提高了轮式移动机器人轨迹跟踪的鲁棒性.     

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.     

考虑状态约束与执行器饱和的水下机器人轨迹跟踪控制

针对执行器饱和、模型参数不确定以及海流干扰等因素影响下的水下机器人,提出一种考虑状态约束以及执行器饱和的轨迹跟踪控制器.首先,构建水下机器人水平面轨迹跟踪误差方程;然后,对载体模型参数不确定性产生的模型误差以及海流干扰,设计一个非线性观测器进行估计并用于对控制器进行扰动补偿;接着,引入执行器饱和补偿系统、二阶滤波器以及滤波器误差补偿系统,设计命令滤波反步滑模控制器来控制水下机器人的水平面轨迹跟踪;最后,严格验证命令滤波反步滑模控制器的稳定性并进行数值仿真,验证所提出控制器的有效性.     

基于反步法的有限时间机器人环航控制器设计

以二维运动目标的环航跟踪为背景,在非完整机器人速度受限情形下,设计了一类以规定环绕速率沿固定半径跟踪目标的控制器.首先,由极坐标系下的环航系统模型,利用反步法给出了一种使系统达到渐近稳定的控制器.进一步,考虑机器人在有限时间内达到跟踪要求的工程需求,利用饱和函数和Lyapunov稳定性理论,设计了一种使机器人运动轨迹在有限时间内收敛到期望轨迹的有限时间饱和控制器.最后,数值算例验证了所提控制律的有效性.     

全方位移动装配机器人运动学分析

针对空间狭小拥挤、地面不平的特殊装配环境,设计了一种5自由度全方位移动装配机器人.该机器人主要由基于4组并联布置的MY(mutual Yo Yo)轮的全方位移动平台和具有2自由度的并联举升机构组成.首先,针对该机器人的全方位运动和并联举升机构的2自由度结构特点,建立了机器人的整体运动学模型,并基于该模型对机器人进行了圆形曲线轨迹仿真.然后,设计双曲线滤波PD(proportional derivative)控制器对机器人的轨迹进行跟踪并分析其轨迹跟踪误差.该控制器能控制平均误差在5 mm左右,且误差随跟踪时间减小而减小.最后,通过实验结果验证了该运动学模型和仿真结果的正确性,且该控制器能迅速并精确地实现其轨迹跟踪,从而进一步验证了该全方位移动装配机器人的优越性.     

自由漂浮空间机器人轨迹跟踪的模型预测控制

针对传统控制方法难以解决自由漂浮空间机器人(free-floating space robot, FFSR)轨迹跟踪过程中的各类约束的问题,采用模型预测控制对自由漂浮空间机器人的轨迹跟踪问题进行了研究.在自由漂浮空间机器人拉格朗日动力学模型的基础上,建立了系统伪线性化的扩展状态空间模型;在给定系统的性能指标和各类约束的情况下,基于拉盖尔模型设计相应的离散模型预测控制器,并证明控制器的稳定性,控制器中引入任务空间滑模变量实现了对末端期望位置和期望速度的同时跟踪;以平面二杆自由漂浮空间机器人为例,对无约束末端轨迹跟踪和有约束末端轨迹跟踪两种情况进行对比仿真验证.仿真结果表明,该模型预测控制器不仅可以实现对末端期望轨迹的有效跟踪,还能满足各类约束.     

基于大脑情感学习的四轮驱动机器人速度补偿控制

由于4轮驱动机器人的轮间耦合特性及系统非线性的存在,即使单个驱动电机的控制精度达到最优,机器人整体的运动控制效果也未必理想.针对这一问题,提出一种基于大脑情感学习的机器人速度补偿控制方法.基于大脑情感学习计算模型,设计了融合机器人整体速度跟踪误差及其积分、微分信息的补偿控制器,通过计算模型内部各节点权值的在线学习,及时地调整控制器的参数,实现对4个轮子速度的自适应补偿.仿真实验表明,该方法有效减小了非线性干扰对系统的影响,具有较高的稳态控制精度和较快的响应速度,大大提高了机器人整体的速度和轨迹跟踪精度.     

基于无线传感器网络的机器人定位跟踪研究

针对基于无线传感器网络的机器人定位提出了一种分段极大似然质心算法。将质心法引入极大似然估计算法中,通过计算已预测结果的质心提高目标位置的预测精度。考虑到WSN系统的超声定位实时性较差,采用扩展卡尔曼滤波算法将WSN系统改进定位算法与机器人航位推算进行融合以跟踪机器人位姿,从而提高了定位精度和系统动态性能。仿真结果表明：在不同锚节点个数和不同测距误差条件下,分段极大似然质心算法均能取得良好的定位效果;采用扩展卡尔曼滤波算法的数据融合,进一步提高了机器人轨迹跟踪的精度。     

基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化

由于冗余驱动的存在,冗余驱动并联机器人系统逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解,这使得机器人在运行过程中具有完成附加任务的能力.以实现骨科机器人的安全精准操控为目的,提出了基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法.首先,采用支链分解法对冗余驱动并联机器人的动力学进行建模.其次,为实现机器人的安全操作,设计了冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器,利用李雅普诺夫理论分析了系统的稳定性;在此基础上,以消除冗余驱动并联机器人运动过程中的传动间隙为附加任务,提出了一种以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标融合驱动力优化方法.最后,通过仿真实验与对比分析,验证了所提方法的有效性,实现了机器人系统传动间隙的消除.     

基于Accodometry法的两轮自平衡机器人位置估计研究

针对两轮自平衡机器人运行过程中遇到打滑、越障、碰撞等异常事件,测程法进行位置估计失效的情况,提出一种Accodometry方法,通过融合码盘与加速度计数据对位置进行估计,解决了非系统测程法误差对机器人位置估计的影响,降低了加速度计固有漂移的不利影响,提高了两轮自平衡机器人的定位精度.实验验证了Accodometry方法的有效性,结果显示位置误差降为原来的1/4.     

非完整轮式机器人的鲁棒同步编队跟踪及镇定控制

本文研究了受到建模不确定性影响和输入限制的非完整轮式机器人的同步编队跟踪和编队镇定问题.首先,基于领航–跟随策略,确定了编队构型的数学表达形式.其次,通过定义含有辅助控制量的跟踪误差,设计了一种具有统一结构的分布式运动学控制器,可使跟随者实现对复杂期望轨迹的跟踪,包括时变轨迹和固定点等.然后,针对建模不确定性影响和输入限制,基于反步法、模糊控制方法和Lyapunov控制理论,设计了一种饱和动力学控制器,使得系统的闭环跟踪误差全局收敛至零点附近有界领域内.最后,通过对比仿真实验,验证了本文控制方法的有效性.     

基于自控测距法的机器人位姿估计

针对两轮自平衡机器人运行过程中遇到打滑、越障、碰撞等异常事件,测程法进行位姿估计失效的情况,提出一种自控测距法。结合改进的Gyrodometry方法,通过融合码盘、陀螺仪与加速度计数据对机器人的位姿进行估计,实现了机器人的准确定位,解决了非系统定位误差对机器人位姿估计的影响,降低了陀螺仪、加速度计固有漂移的不利影响,提高了两轮自平衡机器人的定位精度。实验结果显示与测程法误差相比自控测距法位置误差降为1／3,方向误差降为1／6,验证了自控测距法的有效性。     

基于惯性测量单元的轮式机器人轨迹跟踪仿真

针对轮式机器人轨迹跟踪质量下降问题,提出基于惯性测量单元(IMU)的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法.通过两个惯性测量单元(IMU)来建立轮式机器人的速度、角速度计算模型,针对轮式移动机器人执行中的差动命令对轮式机器人实施闭环控制;设计轮式机器人工作轨迹参考量,结合动力学模型提出轮式机器人轨迹跟踪控制器,使轮式机器人可以在指定的轨迹上进行跟踪.实验结果表明,提出的方法能够使轮式移动机器人的轨迹跟踪误差更小,跟踪结果更精准.     

基于最小无穷范数的蛇形机器人最优力矩控制

带有被动轮的蛇形机器人在跟踪头部轨迹时,力矩输入具有无穷多解,其中振幅最小的解对应着电动机额定扭矩最小的情况,即为本文所指的优化力矩.由于带有被动轮的蛇形机器人侧向不打滑时轮子的法向速度为0,每个模块可以引入一个速度约束,此时蛇形机器人是一个非完整约束系统,而振幅最小的力矩对应着具有最小无穷范数的力矩.通过建立非完整约束动力学方程,将求解振幅最小的力矩转化为在动力学方程约束下求解最小无穷范数的问题.利用最小无穷范数的数值算法求得在蛇形机器人跟踪头部速度时的关节力矩最小无穷范数解,从而利用最小无穷范数解对蛇形机器人进行力矩控制,实现力矩振幅最小的最优力矩控制.动力学数值仿真结果证明了算法的有效性.     

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。