移动机器人导航中的轨迹跟踪与群集运动控制研究.pdf

分类号: U46
10710-B2007027



博士学位论文

移动机器人导航中的轨迹跟踪与群集运动控制研究
张鑫


导师姓名职称巨永锋教授
申请学位级别博士学科专业名称交通信息工程及控制
论文提交日期 2012 年 3 月 19 日论文答辩日期 2012 年 6 月 3 日
学位授予单位长安大学
答辩委员会主席韩崇昭教授
学位论文评阅人韩崇昭教授高社生教授
刘明雍教授于军琪教授
闫茂德教授
Study on the Control of Trajectory Tracking and Flocking
Motion for the Autonomous Navigation of Mobile Robots



Dissertation submitted to Chang’an University
in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Doctor of Engineering




Candidate:Zhang Xin

Supervisor:Prof. Ju Yongfeng




Chang’an University, Xi’an, China
March 2012
摘要
随着科学技术的发展,移动机器人研究受到控制和人工智能等领域学者的广
泛关注。目前,现代移动机器人进入了一个崭新的研究阶段,在工业、农业、国
防、服务和科学研究等方面得到了广泛应用,以代替人类完成很多繁重或恶劣条
件下无法胜任的工作。本文的研究工作紧密围绕轮式移动机器人导航中的轨迹跟
踪和群集运动控制两大关键技术展开。在第一部分研究内容中,重点研究约束非
理想情况下轮式移动机器人的数学模型和轨迹跟踪控制,分别针对运动学和动力
学模型提出了新的轨迹跟踪控制算法,以提高移动机器人的轨迹跟踪精度。在第
二部分研究工作中,为解决未知环境下移动机器人的自主导航和群集运动控制问
题,将虚拟子目标和禁忌搜索算法引入到机器人路径规划技术中,提出相应的自
主导航和群集运动控制算法,对改善导航效率和推动机器人由半自主式向智能型
发展有十分重要的意义。论文的主要研究工作和成果如下:
1、建立了约束非理想情况下双轮差分驱动轮式移动机器人的运动学模型、
动力学模型和驱动模型,为移动机器人轨迹跟踪控制、未知环境下自主导航和群
集运动控制研究奠定了基础。
2、通过对约束非理想情况下轮式移动机器人轨迹跟踪问题的研究,得到了
以两独立驱动轮角速度为控制输入的机器人运动学模型。针对模型中存在的未知
参数,采用反演设计和滑模控制的方法给出了自适应滑模轨迹跟踪控制律,并利
用 Lyapunov 稳定性理论证明了轨迹跟踪误差的全局一致渐近稳定性。
3、针对动力学模型描述的约束非理想轮式移动机器人系统,提出了一种全
局渐近稳定的自适应积分滑模控制律。该方法首先借助运动学模型设计了中间辅
助控制变量,然后利用反演技术和积分滑模控制的思想设计了自适应积分滑模控
制律,可实现移动机器人轨迹跟踪的要求。最后通过仿真算例验证了控制律的有
效性和正确性。
4、为提高轨迹跟踪性能,在轮式移动机器人动力学模型的基础上进一步考
虑驱动模型的影响,在以电机电压为控制输入、存在不确定参数和外界干扰时,
设计了一种自适应轨迹跟踪控制律,以满足移动机器人的高精度轨迹跟踪要求。
5、针对未知环境下纯粹的反应式导航算法缺少“预见性”的缺点,设计了
一种基于虚拟子目标的轮式移动机器人主动寻径导航算法。该算法利用禁忌搜索
算法识别感知域内的优化子目标,并采用模糊控制的方法对子目标进行跟踪,以
逐步渐进的方式实现无碰路径优化并到达最终目标。仿真和实验结果验证了所设
计导航算法的有效性和正确性。
6、针对群集运动系统在非规则障碍物的未知环境中运行时容易陷入局部极
小的问题,将个体扩展为具有记忆能力的智能个体,提出了一类基于虚拟子目标
的 Leader-Follower 智能群体避障和群集运动控制策略,并通过动力学分析和虚
拟力分解使基于智能体的群集控制律转化到多移动机器人系统,实现了多移动机
器人在未知障碍物环境下的群集运动控制。

关键词: 轮式移动机器人,轨迹跟踪控制,稳定性,自主导航,虚拟子目标,
禁忌搜索算法,多智能体,群集运动控制
Abstract
With the development of science and technology, aut