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基于滚动优化的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

作　者: 王虎
导　师: 陈虹
学　校: 吉林大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 轮式移动机器人时域硬约束抗干扰能力滚动优化 H_∞跟踪控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot, WMR)是非完整非线性系统的一个典型代表,它为这类系统控制理论研究提供了一个优秀的应用实例。本文主要研究基于滚动优化的机器人系统H_∞轨迹跟踪控制方法,其主要思想是利用预测控制“与时俱进”的特点处理机器人行进过程中性能与约束(稳定性)等矛盾,使得当外界干扰较大,控制量接近其约束边界时适当降低系统性能以保证满足时域硬约束(稳定性);当干扰较小时尽可能提高系统性能。而该思想是通过沿着目标轨迹线性化实现的,即将整个非线性跟踪控制过程分解为多个线性控制子过程,在每个采样时刻(实际运行轨迹的每个采样点)都将求解一个约束H_∞控制问题,并且此问题的求解是基于此刻更新的线性子系统和状态。同时为了避免选择加权函数,采样时刻的约束H_∞控制问题将采用线性矩阵不等式(LMI)工具进行描述。这种跟踪控制方法综合了预测控制、H_∞控制的优点,很好地实现了系统性能与输入约束(稳定性)之间的折中。LMI技术的应用使得在线优化切实可行。文中首先建立了轮式移动机器人的动力学方程,并讨论了其主要运动性质与控制性质;之后针对该系统提出了基于滚动优化的H_∞跟踪控制方法,同时分析了算法的可行性及闭环系统性质,并给出了仿真结果及相关分析。

全文目录

内容提要  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 研究轮式移动机器人系统的意义  8-9
    1.1.1 研究轮式移动机器人系统的实际意义  8-9
    1.1.2 研究轮式移动机器人系统的理论意义  9
  1.2 轮式移动机器人控制问题的发展现状  9-14
  1.3 本文的主要内容  14-15
第二章预备知识  15-26
  2.1 H_∞控制理论  15-18
    2.1.1 动态系统的耗散性  15
    2.1.2 非线性系统L_2增益分析  15-18
  2.2 线性矩阵不等式  18-21
    2.2.1 LMI的性质  19-20
    2.2.2 三个标准的LMI问题  20-21
  2.3 LMI中的两个常用运算工具  21-22
    2.3.1 Schur 补公式  21
    2.3.2 S-Procedure  21-22
  2.4 不变域  22-23
    2.4.1 Lyapunov不变性  22-23
    2.4.2 椭圆不变域  23
  2.5 系统H_∞性能的LMI分析  23-26
第三章轮式移动机器人数学模型  26-34
  3.1 移动机器人系统的数学模型  26-27
  3.2 非完整系统和非完整约束对WMR控制的影响  27-30
    3.2.1 非完整系统定义  27-28
    3.2.2 非完整约束对WMR运动的影响  28
    3.2.3 WMR的控制性质  28-30
  3.3 WMR轨迹跟踪策略及其可行性  30-32
    3.3.1 WMR轨迹跟踪控制策略  30-31
    3.3.2 WMR沿轨迹线性化系统的能控性分析  31-32
  3.4 微分平坦和平坦性在轨迹跟踪控制中的应用  32-33
    3.4.1 微分平坦定义及性质  32
    3.4.2 WMR的平坦性及其在轨迹跟踪中的应用  32-33
  3.5 本章小结  33-34
第四章基于滚动优化的约束H_∞轨迹跟踪控制  34-53
  4.1 滚动时域约束H_∞跟踪控制的LMI方法  34-47
    4.1.1 滚动时域约束H_∞跟踪控制的LMI方法  34-43
    4.1.2 控制算法与可行性分析  43-45
    4.1.3 闭环系统性质分析  45-47
  4.2 仿真试验  47-51
  4.3 本章小节  51-53
第五章改进的滚动H_∞跟踪控制算法  53-62
  5.1 改进的滚动H_∞跟踪控制算法  53-58
    5.1.1 改进算法及其可行性分析  53-57
    5.1.2 闭环系统性质  57-58
  5.2 仿真试验  58-59
  5.3 本章小节  59-62
第六章全文总结  62-64
参考文献  64-71
中文摘要  71-74
英文摘要  74-77
攻读硕士学位期间的研究成果  77-78
致谢  78-79
导师及作者简介  79

基于滚动优化的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

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