考虑能量优化的室内载体机器人的轨迹跟踪控制

作     者：郑依伦 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王义娜

授予年度：2022年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：全向移动机器人 能耗模型 节能性能指标 能耗优化 预测模型 可行解范围 

摘      要：全向移动载体机器人（Omni-directional Mobile Robot,OMR）具有在狭窄地方灵活移动的优点,在医院、餐厅等人口密集的复杂环境得到了广泛的应用。因此,高精度的轨迹跟踪控制至关重要。另一方面,大多数全方位机器人靠蓄电电池提供能量,由于电池技术的局限,如何进行能耗优化,有效延长机器人的待机时间成为另一个重要问题。本文针对三轮全向移动机器人（Three-wheel Omni-directional Mobile Robot,TOMR）在跟踪目标的过程中存在跟踪误差及产生的能量损耗问题,通过利用机器人的能耗模型,提出了一种新的基于干扰鲁棒补偿的反馈节能控制器。但是,机器人系统是约束系统,该方法对解决实际的约束系统控制问题时较为依赖设计人员的经验,并且在不考虑实际系统约束的情况下,求解的节能控制律具有局限性。因此,针对实际运动系统中各种各样的物理约束,基于能耗预测模型提出了一种新的模型预测节能控制。本文具体的研究工作如下:（1）基于电机系统和TOMR的运动特性,首先,建立了详细的动力学模型。然后,构造了能够有效预测机器人运行过程中各种能量变化的能耗模型。最后,通过仿真和实验联合分析证明了该能耗模型预测瞬时功率变化趋势的有效性。（2）基于该能耗模型设置兼顾轨迹跟踪误差与能耗最小的节能性能指标函数（考虑了电机反接制动现象）,并且引入了不确定性及干扰估计观测法（Uncertainty and Disturbance Estimator,UDE）,在其约束下,提出一种基于干扰鲁棒补偿的反馈节能控制器。接着,基于Lyapunov稳定性理论证明了本文所提出的节能干扰鲁棒补偿控制（Energy-saving Robust Control,ESRC）系统是渐近稳定的。最后,将节能鲁棒控制器与加速度PD、LQR、H?和节能控制器进行了仿真比较分析,结果验证了ESRC在跟踪控制精度和节能方面的优越性,具有更强的鲁棒性。（3）由于TOMR实际行进过程中的节能控制效果受物理限制影响,针对此类多约束系统（TOMR）的节能控制问题,首次提出了一种新的模型预测节能控制。该方法利用“可预测的能量消耗以低能耗实现良好的跟踪性能。首先,基于动态模型建立TOMR的预测模型。然后,将预测模型引入到能耗模型中,推导考虑轨迹跟踪误差和能量消耗的节能性能指标（考虑了电机反接制动现象和特殊的三角机械结构）。接着,为了避免控制增量的严重超调,基于新的性能指标引入相反的时变解耦控制输入矩阵和控制输入。最后,本文所提出的模型预测节能控制基于Lyapunov函数证明了系统是渐近稳定的。仿真结果表明,与软约束模型预测控制相比,所提出的模型预测节能控制方法能够以更低的能量损耗实现更高的控制精度,具有更强的抗干扰性,并且扩展了可行解范围,有效的抑制了传统模型预测控制在求解过程中容易陷入局部最优解的情况。