拖挂式移动机器人运动规划与控制的研究

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1、南开大学工学博士学位论文摘要移动机器人是机器入学的一个重要研究对象，本文研究一种特殊类型的移动机器人系统，它由一系列相互铰链在一起的轮式刚体小车组成，运行在一个平面上。通常这种系统包含一个牵引车(Tractor)和由之拖动的多个拖车(Trmlers)，牵引车位于系统最前端，其驱动轮可以执行前、后运动，转向轮可以向左、向右转向，拖车被动跟随牵引车的运动。这种移动机器人系统通常称为拖挂式(Tractor-TrailersMobileRobot)移动机器人系统。拖挂式移动机器人可以应用于自动化工厂、机场、火车站、

2、航运码头等场合，执行物料传送、行李搬运、货物中转等任务，具有广阔的应用前景。拖挂式移动机器人系统的理论研究涉及到运动学与动力学分析、可控性分析、运动规划、反馈镇定、跟踪控制等多个方面；从系统的设计与开发角度，该系统的研究涉及到传感系统、控制系统、计算系统的硬、软件设计以及控制体系结构等诸多方面。拖挂式移动机器人系统是一个具有高度复杂性和高度综合性的系统，从控制理论角度来看，该类系统属于典型的非完整、欠驱动、非线性系统，其理论分析和系统设计与自由运动的单体机器人系统存在很大差异，是目前机器人学研究的难点和热点

3、问题之一，具有重要的理论价值和实际意义。本文针对拖挂式移动机器人的运动规划与控制问题，在运动学分析与描述、全局路径规划、路径跟踪控制以及控制体系结构与系统设计等方面开展研究，主要完成了以下几个方面的工作：1．研究了拖挂式移动机器人系统的运动学特性，分析了系统运动时的路径特征，以及系统运动轨迹和路径形式、车体参数之间的数量关系，在此基础上，根据多车体系统运动时对路径的要求，结合对系统非完整特性的分析，为拖挂式机器人系统提出了等效尺寸的概念，以指导为其进行路径规划。综合车体参数和系统中存在的各种约束，建立了等效

4、尺寸的计算公式，同时研究了该计算公式的递推特性，以适应不同结构形式以及不同节数的系统的等效尺寸计算。采用等效尺寸进行障碍扩张，在由此得到的位形空间内，拖挂式机器人系统的路径规划问题转化成为单体车型机器人的运动规划问题，而且，基于等效尺寸的扩张可以充分保留可行路径空间，并能保证规划路径的可行性。2．在基于等效尺寸进行障碍物扩张后得到的位形空间内，研究拖挂式移动机器人的全局路径规划问题。对随机路图法(PRM)做了改进，提出一种用局部规则路图辅助建立全局路图的SPRM方法，减少了因局部规划中的频繁避碰校验造成的时

5、间消耗，提高了在障碍物附近产生的局部路径的质量，解决了困难区域的识别和处理的难题。针对拖挂式移动机器人的特点，提出了相应的距离尺度和邻居节点定义，给出一种简单的局部规划器以及与之相配合的路径平滑策略，以保证用尽可能小的计算量，为拖挂式机器人系统规划出满足非完整运动约束和车体间夹角约束的全局可行路径。SPRM方法具有较高的计算速度和规划效率，具有学习能力，能解决路径规划的多次查询问题，并能利用以往的查询信息提高后续查询的速度。由于拖挂式移动机器人的运动路线需要在同一工作空间内经常变动，SPRM方法的特点使之非

6、常适合这类路径规划任务。3．拖挂式移动机器人系统是一个高度非线性的非完整、欠驱动系统，不易直接利用常规的控制理论为其进行控制分析和设计，而链式系统是一种特殊的非完整系统，具有特殊的控制系统几何结构和潜在的线性特性。针对上述特点，本文通过状态变换和控制输入变换把拖挂式移动机器人的系统模型转化成为斜对称链式形式，利用链式系统的有关方法解决拖挂式移动机器人的路径跟踪控制问题。仿真实验表明，在跟踪直线路径和圆弧路径时，车体的侧向偏差、方向角偏差以及车体之间的夹角都迅速收敛到允许范围南开大学工学博士学位论文以内，表明

7、这种跟踪控制方法具有良好的动态性能和稳态精度。4．针对拖挂式移动机器人的路径跟踪问题，提出了一种预测控制算法。这种算法预测机器人在将来某一时刻的位姿，与路径规划得到的理想路径相比较，计算出在此未来时刻的路径跟踪误差，然后根据这个误差和相应的目标函数在线求出当前时刻的最优控制输入。上述方法是滚动进行的，在每一步都要利用系统的实际响应去校正未来预测信息，因此可以弥补模型失配造成的影响，具有良好的鲁棒性。路径跟踪预测控制算法能够充分利用车体前方的未来路径信息，增加控制的预见性，实现准确的路径跟踪，可以防止过量控制

8、，增加控制的柔性，使路径跟踪控制表现出良好的动态特性。5．针对拖挂式移动机器人的任务特点，为了有效地对机器人系统的复杂功能进行组织和管理，提出了一种功能和行为集成的分层递阶式控制体系结构，这种控制结构包括智能级、协调级和驾驶级三个层次，各层的功能是针对拖挂式移动机器人的任务特点而设计的，对所提出的控制结构的各个层次以及各个层次之间的交互、协调做了详细描述，在此基础上建立了一个拖挂式移动机器人实验系统，利用这个实验