基于视觉的非完整约束移动机器人位姿控制研究

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随着移动机器人技术日趋成熟,移动机器人在工业生产中扮演越来越重要的角色。尤其在物流、仓库管理等领域,轮式移动机器人具有巨大的应用前景。为了缩短开发周期及成本,轮式移动机器人通常由舵轮驱动的电动叉车改装而来,这类移动机器人的控制问题比较复杂。一方面机器人的轮子只能滚动不能沿轴向滑动,移动机器人的运动受到约束,属于非完整约束系统,导致移动机器人的位置、航向控制问题比较复杂。另一方面改装之后,舵角控制系统对输入指令跟踪精度不足,导致机器人控制精度不足。本文设计了移动机器人的位姿控制算法,并给出了控制器参数的选取原则。通过在极坐标系下建立移动机器人的运动学模型,设计了线性定常的状态反馈控制律,实现机器人的位置误差、航向误差同时收敛。通过构造李雅普诺夫函数对系统的局部稳定性进行了证明,给出了系统稳定范围。通过对控制器参数进一步优化,为了增加系统的稳定范围,当移动机器人的初始条件不满足局部稳定条件时,机器人会先运动到局部稳定区域内,保证系统最终可以渐进稳定。通过仿真验证了算法的有效性。针对移动机器人舵角控制精度不足,本文提出了舵角控制系统的复合校正方案,提升了舵角控制系统对输入指令的跟踪精度。由电动叉车改装而来的机器人舵角控制系统的跟踪精度不高,输出存在严重滞后,如果不经校正,移动机器人的控制误差不能满足使用需求。为了提升舵角控制系统对输入指令的跟踪精度,采用按输入补偿的复合校正结构对舵角控制系统进行校正。为了合理选取控制器参数,对舵角控制系统进行了建模,通过扫频法得到舵角控制系统的幅频特性曲线和相频特性曲线,并对模型参数进行了辨识。由于按输入补偿的复合校正方法中需要引入前馈信号,论文根据移动机器人位姿控制器解析式,给出了舵角指令导数,得到前馈环节所需的输入信号导数。由于不需要对指令差值除以时间的方式求微分,在提高了舵角控制系统的跟踪精度的同时也保证系统的稳定性。经过输入补偿复合校正后,移动机器人的位置控制误差小于8 mm,航向控制误差小于0.17 rad。
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