复杂动态环境下参数不确定轮式移动机器人运动控制方法研究

Motion control of mobile robots uses real-time feedback environment and their own status information by sensors to achieve robot trajectory tracking or stabilization control tasks. In recent years, wheeled mobile robots have vast applications in real life such automatic parking, transportion of objects, and so on. This project focuses on the adaptive/robust control of the wheeled mobile robots in presence of parameter uncertainties in the complex and dynamic environments, which can be applied in both complex and dynamic environments with improved efficiency and strong robustness to unknown robot prameters. Specifically, this project will study the following respects: the adaptive controller is designed to solve tracking for the wheeled mobile robots with unknown sliding based on dynamic model; the unified robust controller is designed to solve both trajectory tracking and posture stabilization for the wheeled mobile robots with unknown sliding; the unified adaptive controller is designed to solve both tracking and obstacle avoidance for the mobile robots with unknown sliding in environments with dynamic obstacles; the unified robust controller is designed to solve both trajectory tracking and posture stabilization for the wheeled mobile robots in unknown curve surface environments. Lastly, the simulations and experiments are carried out to validate the effectiveness of these methods. According to the research for this project, an effective solution to control design for a class of wheeled mobile robot system with uncertainties will be provided, and it is possible to apply these resulting technologies into the area of security and surveillance, dangerous sites inspection, planetary exploration in practice.

移动机器人运动控制是指借助实时反馈的传感器感知的环境及自身状态信息，控制机器人跟踪期望轨迹或者到达指定的目标位姿，在自动泊车、物品搬运等方面得到日益广泛的应用。本项目旨在研究复杂动态环境下参数不确定轮式移动机器人的自适应/鲁棒控制问题，以提高其运行效率，增强其对机器人参数未知等因素的鲁棒性。具体而言，本项目将对如下内容进行研究：基于动力学模型的滑动参数未知移动机器人自适应跟踪控制方法；轮子打滑条件下移动机器人轨迹跟踪与姿态镇定的统一鲁棒控制器设计；轮子打滑条件下动态障碍物环境中移动机器人轨迹跟踪与避障的统一自适应控制器设计；不确定曲面运动条件下轮式移动机器人轨迹跟踪与姿态镇定的统一鲁棒控制器设计。最后，通过仿真与实验验证本课题所提方法的有效性。力争通过本项目的研究，解决一类不确定移动机器人的运动控制问题，以期促进其在安防监控、危险场所巡检、外星球探测等场合的实际应用。

本项目针对复杂环境下参数不确定轮式移动机器人，围绕参数估计与运动控制器设计等方面展开了研究，简介如下：. 1. 纵向与侧向滑动参数未知条件下移动机器人跟踪控制方法设计。设计了一个自适应无迹卡尔曼滤波观测器对未知的滑动参数进行在线估计。考虑到实际的控制约束，应用Backstepping方法设计了一个能够克服外部滑动干扰的自适应控制器，控制增益由极点配置方法来确定。. 2. 包含不确定因素与外部扰动条件下差速驱动移动机器人轨迹自适应滑模控制器设计。设计了一个带有误差补偿项的线性扩张状态观测器对差速驱动移动机器人的不确定部分进行在线估计，然后应用Lyapunov直接法设计切换增益可自适应变化的滑模控制算法。. 3. 轮子打滑条件下移动机器人轨迹跟踪与避障统一控制器设计。设计了一个控制器同时解决跟踪与避障两个问题。设计一个自适应无迹卡尔曼滤波观测器队滑动参数辨识，巧妙地将势函数与反演设计法相结合，设计了对滑动干扰具有较强鲁棒性的轨迹跟踪与避障统一控制器。. 4. 方向角不可测条件下移动机器人轨迹跟踪控制器设计。针对方向角未知的移动机器人，设计一个辅助误差函数，采用Lyapunov直接法设计了速度控制律。然后根据独立性原理，设计一个方向角误差观测器。. 5. 基于虚拟领队的不确定轮式移动机器人自适应编队控制器设计。针对包含不确定动力学因素的轮式移动机器人的编队控制问题。该方法通过虚拟领队的引入，将高维的编队控制问题转化为单个移动机器人的跟随问题，利用权值自适应变化的径向基神经网络在线估计跟随机器人不确定部分的上界值，大大简化了控制器的设计过程。. 6. 相关方法与技术在其它领域的扩展，如自适应滑模控制器在车辆双层隔振系统中的应用，移动机器人导航系统中的光电编码盘与视觉的信息融合，RFID在移动机器人位姿估计的应用等。. 项目按照计划书要求执行，完成了计划书所列研究内容，达到预期指标。在本项目支持下，在国内外知名学术期刊与会议上共发表论文10篇，其中期刊论文8篇，SCI期刊论文5篇，EI期刊论文3篇。围绕轮式移动机器人控制方面的研究得到广泛的认可，项目负责人作为第一完成人获得了河南省自然科学学术论文奖一等奖1项，二等奖1项。申请发明专利2项，参与了包括CCDC，CCC，WCICA等多个国内外学术会议进行了交流。