含有摩擦补偿的全方位移动机器人轨迹追踪控制

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1、资助项目：国家自然科学基金（61603270）含有摩擦补偿的全方位移动机器人轨迹追踪控制TrajectoryTrackingforanOmni-directionalMobileRobotwithFrictionCompensation学科专业：控制科学与工程作者姓名：王圣翔指导教师：马书根教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月中文摘要全方位移动机器人是一种完整约束机器人，具有很高的机动性，适合在狭窄的空间中工作，目前已广泛应用于多个领域。在全方位移动机器人运动过程中，由于机器人受到的摩擦力与机器人运动方向相反，阻碍机器人运动，导致轨迹追踪控制器控制性能下降。因此

2、，摩擦补偿是提高控制精度的关键所在。本文旨在解决全方位移动机器人轨迹追踪控制中的摩擦补偿问题，结合自抗扰控制技术设计具有强鲁棒性的控制器，实现含有摩擦补偿的全方位移动机器人轨迹追踪控制。本文主要研究工作如下：首先，结合全方位移动机器人实验平台和摩擦力模型对机器人进行受力分析，得到全方位移动机器人在移动坐标系中的动力学方程。通过坐标变换得到世界坐标系中含有摩擦模型的全方位移动机器人动力学模型，并通过分析得到该模型的特点。其次，设计了含有摩擦补偿的全方位移动机器人自抗扰控制器。控制器分为轨迹追踪部分和摩擦补偿部分，其中，摩擦力由扩张状态观测器估计。为提高对摩擦力估计的准确性，本文将

3、模型已知部分加入观测器中。轨迹追踪部分中，为减小摩擦力复杂非线性对系统的影响，控制器增益随机器人速度变小而增大。随后，稳定性分析证明了控制系统是有界输入有界输出稳定的。最终分别通过仿真和实验验证了控制器的有效性和鲁棒性。再次，为解决了模型预测控制对摩擦模型精确度的依赖性，本文结合传统模型预测控制器与自抗扰控制器，设计了含有摩擦补偿的全方位移动机器人模型预测控制器。通过扩张状态观测器对摩擦力进行估计，并将其作为模型预测控制器的扰动约束，最终通过求解最优化问题得到控制量。稳定性分析证明了该控制系统是有界输入有界输出稳定的。最后分别通过仿真和实验结果验证了控制器较强的鲁棒性和实用性。

4、文章最后对全文进行了总结，并对未来工作进行了展望与规划。关键词：全方位移动机器人；轨迹追踪控制；摩擦补偿；自抗扰控制；模型预测控制IABSTRACTOmnidirectionalmobilerobotisaholonomicrobotwithhighmaneuverability,whichissuitableforworkinginnarrowspaceandwidelyusedinmanyfields.Intheprocessofgoingforwardforanomnidirectionalmobilerobot,thedirectionoffrictionforceis

5、oppositetotherobot,whichhindersthemovementoftherobotanddecreasesthecontroleffectoftrajectorytracking.Thus,thefrictioncompen-sationproblembecomesakeytoimprovecontrolprecision.Thisthesisaimstosolvethetrajectorytrackingcontrolwithfrictioncompens-ationforanomnidirectionalmobilerobotanddesigncont

6、rollerswithstrongrobus-tnessbasedonactivedisturbancerejectioncontroller(ADRC).Themaincontentsofthisthesisareasfollows:Firstly,basedontheexperimentalplatformoftheomnidirectionalmobilerobot,theforceoftherobotisanalyzedandthedynamicequationoftheomni-directionalmobilerobotinthemobilecoordinatesy

7、stemisobtained.Thenthedynamicsmodeloftheomnidirectionalmobilerobotwithfrictionmodelintheworldcoordinateissetupbycoordinatetransformationandthecharacteristicsofthemodelareanalyzed.Secondly,anADRCwithfrictioncompensationforomnidirectionalmobileroboti