模糊控制移动机器人文献综述.docx

文献综述前 言随着科学技术的迅速发展和人民生活水平的日益提高，机器人已经应用到军事、工业生产、海空探索、医学、农业、服务业、娱乐业等各个领域，机器人的出现有力的推动了科技的进步和社会经济的发展，带给人们巨大的经济财富。机器人技术是在新技术革命中迅速发展起来的一门新兴学科，是人类最伟大的发明之一，其研究一直是国内外极为重视的高技术领域，各国的研究机构已经根据需要研制出多种不同用途的机器人。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，具有重要的军用和民用价值。美国机器人协会（Robot Institute of American）定义机器人为：机器人是一种用来移动材料、零件、工具或特定装置的可重新编程的多功能操作器，可通过改变编程运动来执行不同的任务。从二十世纪六十年代第一台机器人诞生以来，机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人的发展共经历了三个阶段：第一代机器人属于可编程示教再现型 ， 第二代则具有一定感知功能和自适应功能的离线编程机器人， 第三代机器人是智能机器人 ， 它不仅具有感觉能力 ， 而且还具有独立判断和行动的能力。按不同的分类方法可将移动机器人分为很多种类：按控制方式或自主水平来分，分为遥控式移动机器人、半自主式移动机器人和自主式移动机器人；按移动机构的结构来分，分为车轮式移动机器人、履带式移动机器人和步行式移动机器人。其中，轮式移动机器人（WMR）具有速度快、运动稳定以及能源利用率高等特点。因此具有很高的使用价值和广泛的应用前景，目前正在向工程实用化方向迅速发展，也是目前智能机器人技术发展的主要方向之一。而在轮式移动机器人的后面连接上拖车形成带拖车的移动机器人系统，则可以进一步加强轮式移动机器人系统的运输能力，具有极大的实际应用价值。根据机器人和拖车连接方式的不同，轮式带拖车的移动机器人又分为连轴式拖车移动机器人和离轴式拖车移动机器人。由于实际应用中的拖车之间的连接总是离轴式的，所以本课题主要研究离轴式拖车移动机器人的控制问题。对于参数存在不确定性这个问题专家们曾采用了鲁棒控制、模糊控制等方法，对于鲁棒控制，考虑轮式移动机器人在运动学受到外界扰动的条件下，应用鲁棒控制技术，设计轨迹跟踪控制器。第1章 国内外研究现状及发展趋势第1.1节 理论研究1.1.1 课题方面的综述美国机器人协会（Robot Institute of American）定义机器人为：机器人是一种用来移动材料、零件、工具或特定装置的可重新编程的多功能操作器，可以通过改变编程运动来执行不同的任务。移动机器人是机器人研究领域中的一个重要分支，涉及自动控制、机械、计算机、电子等多个学科。同时由于拖车在实际应用方面有很大的优越性，所以移动机器人拖车系统的研究受到广泛关注，成为目前移动机器人研究中的一个重点。轮式带拖车移动机器人的控制问题大致可以分为三类：路径跟踪、轨迹跟踪以及点镇定。本文主要研究移动机器人的路径跟踪问题，但当模型中的参数存在不确定性时，已有的控制算法不再适用。所以解决参数不确定问题就显得十分重要，本文主要研究参数不确定带拖车轮式移动机器人的路径跟踪。保证当参数不确定时移动机器人拖车系统能够准确跟踪路径。轮式移动机器人由移动机构、传感器、控制器组成。其中，移动机构是移动机器人的运动基础，根据移动特性可以分为全方位移动机器人和非全方位移动机器人两种。从理论上分析可以分为完整约束和非完整约束机器人。轮式移动机器人具有广泛的实际应用背景。由于这类系统的轮子与地面的滚动接触必须满足纯滚动无打滑这一非完整约束的条件才能运动，因此是典型的非完整约束动力学系统。1.1.2 文献简述根据机器人和拖车连接方式的不同，轮式带拖车的移动机器人分为连轴式拖车移动机器人和离轴式拖车移动机器人。目前已经有不少文献研究带拖车移动机器人的路径跟踪问题，但是这些文献主要涉及连轴式拖车移动机器人系统。对于连轴式拖车移动机器人系统其控制方法已经相当成熟。对于连轴式拖车移动机器人系统，Sampei M，Tamura T等曾先对1连轴式带拖车移动机器人进行坐标变换，然后在平衡点附近进行近似线性化，并对近似后的线性系统设计状态反馈控制器，以保证带拖车移动机器人反向跟踪路径。Sampei将带n节连轴式拖车的移动机器人的模型转换为时间-状态控制标准型，并对其设计了线性反馈切换控制律将机器人镇定到期望的位姿附近。Sordalen OJ2证明了带n节连轴式拖车的移动机器人模型可以转化Richard MM，Sastry SS3提出的链式形式。由于能转化为链式形式，Sordalen OJ，Wichlund KY通过设计时变反馈控制律把带n节连轴式拖车的移动机器人镇定到期望的位置4，Sampei M将带n节连轴式拖车的移动机器人的模型转换为时间-状态控制标准型，并对其设计了线性反馈切换控制律将机器人镇定到期望的位姿5。由此可看出在连轴式带拖车移动机器人的研究上，其系统控制方法已经相当成熟。由于离轴式拖车移动机器人的模型不能转化为链式系统，因此无法应用针对链式系统的已有的控制方法。在连轴式带拖车移动机器人研究成果的基础上，不少学者开始研究控制难度相对更大的离轴式带拖车移动机器人的路径跟踪控制方案。Vendittelli M，Oriolo G针对带两节离轴式拖车的移动机器人，提出了一种基于幂零近似的反复转向镇定策略6。Astolfi A，Bolzern P等针对一节离轴式带拖车移动机器人前进和后退两种方向，分别跟踪直线和圆弧路径的四种情况，用李亚普诺夫方法构造了不同的路径跟踪反馈控制律，这种光滑、有界的反馈控制律可以使带拖车移动机器人系统渐近稳定到给定的路径并沿给定路径运动。霍伟等采用分层模糊控制方法研究了含模型不确定性移动机器人路径跟踪8。以上都是关于参数一定的情况，当模型中的参数存在不确定性时，已有的控制算法不再适用。所以解决参数不确定问题就显得十分重要。对于参数存在不确定性这个问题专家们曾采用了鲁棒控制、模糊控制等方法，对于鲁棒控制，考虑轮式移动机器人在运动学受到外界扰动的条件下，应用鲁棒控制技术，设计轨迹跟踪控制器。第1.2节 应用情况1.2.1 国外移动机器人发展现状移动机器人的研究最早开始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年到1972年之间，研究出了名为Shakey9的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，用来解决机器人在不平整地域内的运动问题，其中最著名的是名为General Electric Quadruped10的步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是在80年代后期，许多国家相继开展了移动机器人技术的研究11。如美国的Hughes人工智能中心于1987年首次进行了移动机器人越野实验12，Stanford大学的移动机器人能在立体制导系统引导下缓慢步行13。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代到现在，人类逐步实现了6-10km深海探测；人类逐步实现了6-10km深海探测;实现了对太阳系金星、火星、木星及木卫星等天体的探测。可以毫不夸张的说，美国探路者号小车对火星表面的探测，是自动化及机器人技术发展的最高成就之一14。现在以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一个是在横向上，机器人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多；另一个是在纵向上，机器人的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展15。1.2.2 国内移动机器人发展现状 经过近20年的发展，我国机器人技术也有较大进步，行走机器人和人形机器人的研究得到进一步重视，开放式网络机器人的开发成为新热点，随着时间的推移和技术的发展，智能移动机器人技术将成为我国机器人技术关注和开发的重点。在“七五”计划中，我国开始把机器人列入国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程基地，完成了示教、再现工业机器人的成套技术（包括机械手、控制系统、驱动传动单元、测试系统设计、制造应用和小批量生产工艺技术等），全面展开了机器人基础理论与基础元器件的研究。八五期间国防科技大学、南京理工大学、浙江大学、清华大学等多所高校联合研制的“7B8军用智能机器人”于1995年通过鉴定，是我国自行研制的第一辆大型自主式地面车辆。国防科技大学研制的CITAVT V型自主车在高速公路试验中达到了75 km/h，由清华大学研制的THMR-III型自主车在道路跟踪时可以达到510km/h的速度，避障速度可以达到5km/h16。由中国科学院沈阳自动化研究所承担的国家“863计划”课题智能移动式机器人，也叫自动导引车（AGV），在一汽轿车的“红旗世纪星”柳州微型汽车厂总装生产线上大显身手，为提高企业柔性自动化水平做出了贡献；同时AGV在上海烟厂为烟叶立体仓库提供配套服务，使其实现了全方位运输自动化。由于增加拖车在运输货物方面有很大的实用性，可以大大提高移动机器人的运输效率，同时增加拖车也增加了控制难度，所以带拖车移动机器人引起了研究机构的广泛关注，成为现在的一个研究热点。本课题的主要研究对象就是带拖车轮式移动机器人。随着机器人技术的不断成熟，多移动机器人群体协调工作将成为移动机器人研究的又一个新领域。由参考文献可知，关于参数不确定性移动机器人的研究，有很少的控制方法，对于参数存在不确定性这个问题专家们曾采用了鲁棒控制、模糊控制、比例微分等方法，对于鲁棒控制，考虑轮式移动机器人在运动学受到外界扰动的条件下，应用鲁棒控制技术，设计轨迹跟踪控制器。结 论通过阅读带拖车移动机器人系统控制问题的相关文献，基本了解了该方向的基本理论与研究现状，各个问题的已有成就和尚待解决的问题，移动机器人拖车系统是典型的高度非线性和受非完整约束的力学系统，根据拖车之间的连接方式不同可以分为连轴式带拖车移动机器人系统和离轴式带拖车移动机器人系统。对于连轴式带拖车移动机器人系统可以转化为链式系统，因此可以应用已经充分丰富和成熟的基于链式系统的控制方案；而离轴式带拖车移动机器人系统不能转化为链式系统，控制难度更大。带拖车的移动机器人是一种机械化和智能化搬运技术的搬运装备。有很强的运输能力，具有极大的实际应用价值，比如工业移动机器人在工作场所里按预定路线运送物料、焊接机器人的焊缝跟踪、自主式移动机器人的道路跟随等。对于现有的研究方法都是仅考虑了理想模型的情况。但是，实际中都存在了参数不确定的情况，所以研究路径跟踪中存在的参数不确定问题就具有很高的现实意义。本文研究离轴式参数不确定带拖车轮式移动机器人的路径跟踪，希望采用积分控制算法来控制轮式带拖车移动机器人的路径跟踪。积分控制也可以较好的解决参数不确定情况的系统控制问题。因为积分器的输出为常数，故其输入一定为零。因此，积分器迫使调节误差在平衡点处为零。参数扰动会改变平衡点，但在平衡时的条件不会改变，因此只要被扰动平衡点保持渐近稳定，就能够实现调节。参考文献1 Sampei M,Tamura T.,Itol T.and Nakamichi MPath tracking control of trailer-like mobile robotAProc.IEEE/RSJ InterWorkshop on Intelligent Robots and SystemsCJapan,Osaka,1991:193-1982 Sordalen O.JConversion of Kinematics of a Car with n Trailers into a chained formA3 Richard M.M.,Sastry S.SNonholonomic motion planning:Steering using sinusoidsA,IEEE Transon Automatic ControlC,may 1993:700-7164 Sordalen O.J.and Wichlund 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