基于滑模变结构控制的麦克纳姆轮机器人轨迹跟踪方法研究

作     者：董浩 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈龙

授予年度：2024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：麦克纳姆轮移动机器人 非奇异快速终端滑模控制 屏障函数 轨迹跟踪 

摘      要：麦克纳姆轮移动机器人具有良好的机动性和灵活性,广泛应用于物流、智能仓储和搬运等领域。然而,由于其非完整约束性质和多变的工作环境,麦克纳姆轮移动机器人的精确控制仍然是一个挑战。本文主要研究了麦克纳姆轮移动机器人的轨迹跟踪控制问题,并提出了基于自适应滑模控制的解决方案。 本文以麦克纳姆轮移动机器人系统为受控对象,首先详细介绍了麦克纳姆轮的机械结构,并根据牛顿力学,在充分考虑系统不确定性的情况下,使用名义模型的方式建立了麦克纳姆轮移动机器人的运动学和动力学模型。然后深入研究了滑模变结构控制原理,并在传统滑模控制的基础上提出了非奇异快速终端滑模控制器。为解决滑模控制产生的抖振问题,本文将自适应控制与滑模控制相结合,创新性地提出了一种基于屏障函数的自适应非奇异快速终端滑模控制器。该控制器不仅解决了传统滑模控制的抖振问题,而且可以在有限时间内将跟踪误差限制到预先设计的区域当中。为处理实物平台中会出现的执行器饱和问题,本文在该控制器的基础上加以改进,提出了基于改进型屏障函数的自适应非奇异快速终端滑模控制器。接着,利用李雅普诺夫函数,对所提出的控制器进行稳定性证明,并使用MATLAB软件对各控制器进行仿真,证明了本文所设计控制器的有效性。 最后搭建麦克纳姆轮移动机器人实物平台,使用传统滑模控制器和非奇异终端滑模控制器作为对照组,并设计了三种实验场景。实验结果表明,三种控制器中,本文所提出的控制算法能够使机器人最为准确的实现路径跟踪和运动控制,验证了所提出控制算法的优越性和实用性。