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多移动机器人编队控制的研究

作　者: 黄小起
导　师: 杨光红
学　校: 东北大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 多移动机器人 编队控制 反馈线性化 滑模控制 基于行为 避障
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


近年来,随着计算机技术和无线通信技术的发展,多机器人协调合作已经成为可能,而且得到了越来越广泛的应用。多个机器人协调合作可以完成单一机器人难以完成的任务。其中编队问题是研究其他协调合作问题的基础,也是目前国内外研究的热门课题。所谓的编队控制是指多个机器人在到达目的地的过程中,保持某种队形,同时又要适应环境约束的控制技术。本文针对这个问题,分别研究了无障碍环境下和有障碍环境下多移动机器人编队控制问题,对编队控制系统建立系统模型、设计了控制器,并对系统的稳定性进行分析和仿真验证。主要工作如下：首先,研究了在无障碍环境下多移动机器人编队的问题。采用跟随者—领航者的方式控制队形,在笛卡儿坐标系中建立了运动学模型,从而成功避免了在极坐标中建立运动学模型存在固有奇异点的问题,运用输入/输出反馈线性化法设计了控制律,确保系统输出按指数规律跟踪期望输出。并对编队的稳定性进行了分析,得出了闭环控制律下稳定性结论,奠定了闭环控制律下Leader-follower稳定编队运动的理论基础。仿真结果验证了控制方法的有效性。其次,针对输入输出反馈线性化方法的不足以及在实际应用中不得不处理不确定性的问题,提出了滑模控制,设计了滑模面和控制律,并用李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的渐进稳定性。仿真结果证明：控制器能稳定整个编队,并对不确定性具有鲁棒性。最后,研究了在有障碍环境下多移动机器人编队的问题。提出分层控制思想,从而克服了集中控制和分散控制的缺点；提出虚拟机器人作为整个队伍的领队机器人,从而解决了系统对领队机器人的安全性要求过高的问题；提出整体队形反馈的思想解决了基于行为法中队形稳定性得不到保证的缺点,从而实现编队的平滑控制。理论证明和仿真结果同时表明系统的稳定性和鲁棒性有了明显的提高。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-20
  1.1 引言  10
  1.2 多机器人系统概述  10-15
    1.2.1 国内外研究现状  10-12
    1.2.2 多机器人系统研究的主要内容  12-14
    1.2.3 多移动机器人控制系统的特点  14-15
  1.3 移动机器人编队控制研究现状  15-18
  1.4 本文主要工作及内容安排  18-20
第2章 编队系统简介和移动机器人建模  20-26
  2.1 编队系统的结构和类型  20-21
    2.1.1 编队系统的结构  20-21
    2.1.2 编队的基本类型  21
  2.2 移动机器人建模  21-24
    2.2.1 非完整系统  21-22
    2.2.2 非完整移动机器人模型  22-24
  2.3 本章小结  24-26
第3章 基于跟随者领航者方式的多机器人编队控制  26-52
  3.1 引言  26
  3.2 算法介绍  26-29
    3.2.1 输入—输出线性化方法  26-28
    3.2.2 滑模控制技术  28-29
  3.3 问题描述及系统建模  29-32
    3.3.1 问题描述  29-31
    3.3.2 系统建模  31-32
  3.4 基于输入—输出反馈线性化方法的编队控制  32-36
    3.4.1 控制器设计  32-34
    3.4.2 编队的稳定性分析  34-36
  3.5 基于滑模控制的多机器人编队控制  36-43
    3.5.1 移动机器人的动力学模型  37
    3.5.2 控制器设计及编队稳定性分析  37-43
  3.6 仿真研究  43-49
    3.6.1 基于输入—输出反馈线性化法编队的仿真研究  43-46
    3.6.2 基于滑模控制的多机器人编队仿真研究  46-49
    3.6.3 仿真结果分析  49
  3.7 本章小结  49-52
第4章 多移动机器人编队的分层控制策略  52-62
  4.1 引言  52
  4.2 移动机器人的行为分解和各子行为的控制实现  52-56
    4.2.1 机器人编队行为分解  52-53
    4.2.2 各子行为的控制实现  53-56
  4.3 多移动机器人编队分层控制结构  56-60
    4.3.1 系统结构  56-57
    4.3.2 机器人子行为的融合  57-58
    4.3.3 队形反馈控制策略  58-60
  4.4 多机器人编队分层控制的仿真研究  60-61
  4.5 本章小结  61-62
第5章 总结与展望  62-64
  5.1 结论  62
  5.2 展望  62-64
参考文献  64-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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