两轮轮式机器人点镇定仿人智能运动控制研究

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两轮轮式机器人(TWMR, Two-Wheel Mobile Robot)是应用十分广泛的机器人系统,由于TWMR具有运动学非完整性约束、动力学饱和非线性,两个驱动系统相互耦合,实时运动过程中往往存在强干扰和系统时变特性,因此TWMR的运动控制及其优化问题一直是国内外研究的重点和难点问题。其中,点镇定问题是TWMR运动控制中最重要、最基础的问题。仿人智能控制(HSIC, Human-Simulated Intelligent Control)是模仿人的控制行为来设计控制器,其研究的主要目标不是被控对象本身,而是控制器模拟人的控制结构和控制行为的方式,特别适合于复杂非线性问题求解。本文基于仿人智能控制理论,针对TWMR的点镇定运动控制所做的工作如下:①提出了一种三层结构仿人智能(TL-HSIC)TWMR点镇定控制器及其参数整定方法。该控制器由仿人智能控制底层执行层、动态参数自适应调整层和任务协调层三层构成。底层执行层针对机器人运动学非完整约束和动力学非线性对运动控制的影响,将驱动电机的加速度作为控制参数引入到整个控制器系统中,采用仿人智能控制多模态底层控制器构成了基本控制单元;动态参数自适应调整层针对实时运动控制过程中存在的强干扰及系统的时变特性,利用神经网络在线实时改变底层执行层各基本控制单元的控制参数,达到优化各个基本控制单元的控制效果;顶层为任务协调层,根据系统和环境状态规划控制各基本控制单元及其动态参数自适应调整的工作状态。采用遗传算法,以机器人到达目标点的时间为适应度函数,实现整个控制系统控制参数的整定。②搭建了基于“类等效”状态空间模型的TWMR仿真实验平台和基于新型直流电机双闭环驱动器的实际TWMR实验平台,进行了TWMR点镇定运动控制实验。基于实验室提出的机器人“类等效”状态空间模型,采用Matlab搭建仿真平台,进行了参数整定和优化实验,以验证控制器的有效性;基于动态参数可调直流电机双闭环仿人智能控制方法,设计了可以进行电机驱动电流上限控制的新型直流电机双闭环驱动器,并用于实际TWMR系统,完成了实际系统实验。通过仿真实验和实物实验证实了本文所提出的TWMR三层仿人智能点镇定控制器结构的有效性。与多模态仿人智能控制器(MP-HSIC)、改进的多模态仿人智能控制器(IMP-HSIC)控制效果的进行对比表明,所提出的三层结构仿人智能TWMR点镇定控制器的控制更快速,运动轨迹更平滑,取得了更良好的控制效果。
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