畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告電氣工程及自動(dòng)化車(chē)式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制一、選題的背景與意義近年來(lái)，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，從原來(lái)單一的制造業(yè)，逐漸拓展到像醫(yī)療、家務(wù)、娛樂(lè)等非制造業(yè)和服務(wù)行業(yè)。它的出現(xiàn)有力的推動(dòng)了科技的進(jìn)步和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，帶給人們巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)富。機(jī)器人技術(shù)是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科，是人類(lèi)最偉大的發(fā)明之一，其研究一直是國(guó)內(nèi)外極為重視的高技術(shù)領(lǐng)域，各國(guó)的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)根據(jù)需要研制出多種不同用途的機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，具有重要的軍用和民用價(jià)值。機(jī)器人分類(lèi)有多種，按控制方式或自主水平來(lái)分，分為遙控式移動(dòng)機(jī)器人、半自主式移動(dòng)機(jī)器人和自主式移動(dòng)機(jī)器人；按移動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)來(lái)分，分為車(chē)式移動(dòng)機(jī)器人、履帶式移動(dòng)機(jī)器人和步行式移動(dòng)機(jī)器人。其中，車(chē)式移動(dòng)機(jī)器人（WMR）具有速度快、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定以及能源利用率高等特點(diǎn)。因此具有很高的使用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，目前正在向工程實(shí)用化方向迅速發(fā)展，也是目前智能機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。本課題主要研究車(chē)式移動(dòng)機(jī)器人的軌跡控制問(wèn)題。二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題：基本內(nèi)容：分析車(chē)式移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的軌跡跟蹤問(wèn)題。基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析，提出一種自適應(yīng)的軌跡跟蹤控制方法。通過(guò)引入狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鎮(zhèn)定，所使用的控制方法能夠使四輪車(chē)式移動(dòng)機(jī)器人在導(dǎo)航中具有理想的跟蹤軌跡（直線和圓周兩種軌跡）。擬解決的主要問(wèn)題：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立自適應(yīng)軌跡跟蹤控制問(wèn)題最優(yōu)控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一定的抗干擾能力三、研究的方法與技術(shù)路線：技術(shù)路線：采用滑模變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制。滑模變結(jié)構(gòu)控制是根據(jù)系統(tǒng)所期望的動(dòng)態(tài)特性來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的切換超平面，通過(guò)滑動(dòng)模態(tài)控制器使系統(tǒng)狀態(tài)從超平面之外向切換超平面收束。系統(tǒng)一旦到達(dá)切換超平面，控制作用將保證系統(tǒng)沿切換超平面到達(dá)系統(tǒng)原點(diǎn)，這一沿切換超平面向原點(diǎn)滑動(dòng)的過(guò)程稱(chēng)為滑模控制。由于系統(tǒng)的特性和參數(shù)只取決于設(shè)計(jì)的切換超平面而與外界干擾沒(méi)有關(guān)系，所以滑模變結(jié)構(gòu)控制具有很強(qiáng)的魯棒性，對(duì)非線性系統(tǒng)的控制具有良好的控制效果。首先建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：（1）對(duì)具有位姿指令和速度指令參考小車(chē)的跟蹤。移動(dòng)機(jī)器人從位姿移動(dòng)到位姿，移動(dòng)機(jī)器人在新坐標(biāo)系中坐標(biāo)為：（2）其中。設(shè)新坐標(biāo)系與坐標(biāo)系之間的夾角為。根據(jù)坐標(biāo)變化公式，可得到描述移動(dòng)機(jī)器人位姿的誤差方程為：（3）由此可以得到位姿誤差微分方程為：（4）移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的軌跡跟蹤即尋找控制輸入，使其對(duì)任意的初始誤差，系統(tǒng)式（4）在該控制輸入作用下，有界，且。接著設(shè)計(jì)機(jī)器人的滑模跟蹤控制器其原理可簡(jiǎn)述為在系統(tǒng)控制過(guò)程中,控制器根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)狀態(tài),以躍變方式有目的地不斷變換,迫使系統(tǒng)按預(yù)定的“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。變結(jié)構(gòu)是通過(guò)切換函數(shù)實(shí)現(xiàn)的,特別要指出的是,通常要求切換面上存在滑動(dòng)模態(tài)區(qū),故變結(jié)構(gòu)控制又常被稱(chēng)為滑動(dòng)模態(tài)控制。設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)基本可分為兩步：(1)確定切換函數(shù)S(x),即開(kāi)關(guān)面,使它所確定的滑動(dòng)模態(tài)漸近穩(wěn)定且有良好的品質(zhì),開(kāi)關(guān)面代表了系統(tǒng)的理想動(dòng)態(tài)特性。(2)設(shè)計(jì)滑模控制器,使到達(dá)條件得到滿(mǎn)足,從而使趨近運(yùn)動(dòng)(非滑動(dòng)模態(tài))于有限時(shí)間到達(dá)開(kāi)關(guān)面,并且在趨近的過(guò)程中快速、抖振小。移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模式即公式（4），是一個(gè)多輸入非線性系統(tǒng)，其切換函數(shù)可以采用Backstepping方法來(lái)設(shè)計(jì)。Backstepping方法亦稱(chēng)反步控制法，它是基于Lyapunouv穩(wěn)定性理論，以一種遞歸的方式構(gòu)造出Lyapunovi函數(shù)，并推導(dǎo)出使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)呈Lyapunov穩(wěn)定的控制律的設(shè)計(jì)方法。反步控制法的基本思想是將復(fù)雜的非線性系統(tǒng)分解成不超過(guò)系統(tǒng)階數(shù)的子系統(tǒng)，然后為每個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分Lyapunov函數(shù)(簡(jiǎn)稱(chēng)礦函數(shù))和中間虛擬控制量，一直“后退”到整個(gè)系統(tǒng)，將它們集成起來(lái)完成整個(gè)控制律的設(shè)計(jì)。反步控制法適用于可狀態(tài)線性化或具有嚴(yán)參數(shù)反饋的不確定非線性系統(tǒng)。最后進(jìn)行軟件仿真。采用MATLAB軟件對(duì)圓形和直線兩種線路分別進(jìn)行仿真。觀察結(jié)果并對(duì)程序進(jìn)行修改，使其具有一定的抗干擾能力和較為準(zhǔn)確的軌跡跟蹤。四、研究的總體安排與進(jìn)度：2010年12月——2011年1月選題、完成外文翻譯、文獻(xiàn)綜述、開(kāi)題報(bào)告。2011年1月——2011年2月完成設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作：熟悉matlab編程軟件和simulink工具箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真。2011年2月——2011年3月完成程序的編寫(xiě)，修改工作。2011年3月——2011年4月進(jìn)行仿真并分析結(jié)果，完成畢業(yè)論文。五、主要參考文獻(xiàn)：[1]李建華，莊健，王孫安。基于綜合導(dǎo)向的輪式移動(dòng)機(jī)器人自適應(yīng)軌跡跟蹤控制[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.3，第39卷，第3期。[2]李世華，田玉平。移動(dòng)小車(chē)的軌跡跟蹤控制[J]。控制與決策，2000,15（5）：626-628.[3]葉濤，侯增廣，譚民，李磊，陳細(xì)軍。移動(dòng)機(jī)器人的滑模軌跡跟蹤控制。高技術(shù)通訊，2004,1：71—74[4]吳衛(wèi)國(guó)，陳輝堂，王月娟。移動(dòng)機(jī)器人的全局軌跡跟蹤控制。自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2001,27（3）：326—331[5]張立勛，卜遲武。基于全局視覺(jué)的服務(wù)機(jī)器人滑模軌跡跟蹤控制。遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009年，第28卷第1期。[6]王超越，景興建。非完整約束移動(dòng)機(jī)器人人工場(chǎng)導(dǎo)向控制研究[J]。自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2002,28（5）：777—783.[7]劉鈺。輪式移動(dòng)機(jī)器人滑模軌跡跟蹤控制研究。金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2009年9月，第25卷，第3期。[8]蔡自興。機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000：22_26[9]熊蓉,張翮,禇健等．四輪全方位移動(dòng)機(jī)器人的建模和最優(yōu)控制[J].控制理論與應(yīng)用2006.23(1):93—98..[10]劉金琨.滑模變結(jié)構(gòu)控制MATLAB仿真.北京:清華大學(xué)出版社,2005:262_265[11]FarzadPourboghrat,MattiasPKarlsson.AdaptiveControlofDynamicMobileRobotwithNonholonomicConstraints[J].ComputersandElectricalEngineering,2002,28:241-253[12]SongYongduan,GaoWeibing.AVariableStructurePathTrackingControlStrategyforRoboticsApplications[J]:ControlTheoryAndApplicationgs:Mar,1991,Vol.8,No.1.[13]D.V.Dimarogonas,S.G.Loizou,K.J.Kyriakopoul