轮式移动机器人滑模轨迹跟踪控制
程俊林,赵东风
(云南大学信息学院通信工程系,云南昆明 650091)
摘要:对质心与几何中心不重合的轮式移动机器人轨迹跟踪问题进行了研究.分析了轮式移动机器人运动学的数学模型,并在反演(backstepping)控制算法的基础上设计了变结构控制的切换函数,由此构造了具有全局渐进稳定性的滑模跟踪控制器.仿真结果表明了该方法的有效性和正确性.
关键词:轮式移动机器人;轨迹跟踪;反演;滑模变结构控制
中图分类号:TP 24 文献标识码:A 文章编号:0258-7971(2007)S1-0064-04
WMR(Wheeled Mobile Robot)具有广阔的活动空间,被广泛的应用于工业、农业、医疗、水下、空间、采掘、服务、娱乐、军事等领域,把人们从繁重的体力劳动和危险的工作环境中解放出来,从而提高了劳动生产率,产生了巨大的经济效应.
由于WMR是典型的高度非线形的非完整力学系统,不满足Brockett光滑镇定的必要条件[1],因而不能用光滑或连续的时不变状态反馈来实现其轨迹跟踪控制,这便使得不连续的滑模跟踪控制方法更具吸引力[2~5].文献[6]采用基于积分backstepping时变状态反馈方法,引入具有双曲正切特性的虚拟反馈量,设计轨迹跟踪控制方法,并且利用Lyapunov方法证明系统的全局稳定性,并实现了轨迹跟踪控制.文献[7,8]基于后退(backstepping)方法的思想设计了具有全局渐进稳定的跟踪控制器,也实现了轨迹跟踪控制.以上文献中,控制律的研究针对的都是标准的两轮驱动的移动机器人,即质心和几何中心重合的移动机器人.在大多数情况下,WMR的质心和几何中心是不重合的.文献[9]针对模型的质心和几何中心不重合的情况,利用时变连续控制律解决了移动机器、人的镇定控制问题,并且利用自适应技术解决了2者之间距离未知时的镇定问题,但没有实现轨迹的跟踪控制.
本文针对模型的质心与几何中心不重合的情况,基于文献[7,8,10]反演(backstepping)控制算法方法的思想设计了变结构控制的切换函数,并由此构造了具有全局渐进稳定性的滑模跟踪控制器,实现对预定轨迹的全局渐进跟踪,并根据Lyapunov理论证明系统全局渐进稳定.
1 移动机器人轨迹跟踪模型
本文研究的WMR两个较大的后轮为驱动轮,前端有一个可以绕固定轴自由旋转的小脚轮,如图1所示.
从图3的仿真结果可以看出,在全局滑模轨迹跟踪控制器的作用下,系统在不到5 s的时间内就进入稳态,初始跟踪误差收敛到零.WMR在滑模变结构控制下具有很好的轨迹跟踪性能.
5 结 论
本文通过对质心和几何中心不重合的WMR的轨迹跟踪问题进行了研究.在反演(backstepping)控制算法方法的思想上设计了变结构控制的切换函数,并构造了具有全局渐进稳定性的滑模跟踪控制器.该方法具有较强的鲁棒性,适用于质心和几何中心不重合的WMR的控制.仿真结果表明该方法能很好地实现轨迹跟踪控制
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