1、1毕业设计开题报告电气工程及自动化车式移动机器人系统的轨迹跟踪控制一、选题的背景与意义近年来，机器人的应用越来越广泛，从原来单一的制造业，逐渐拓展到像医疗、家务、娱乐等非制造业和服务行业。它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。机器人分类有多种，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；
2、按移动机构的结构来分，分为车式移动机器人、履带式移动机器人和步行式移动机器人。其中，车式移动机器人（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。本课题主要研究车式移动机器人的轨迹控制问题。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题基本内容分析车式移动机器人系统的轨迹跟踪问题。基于运动学模型分析，提出一种自适应的轨迹跟踪控制方法。通过引入状态反馈实现系统的镇定，所使用的控制方法能够使四轮车式移动机器人在导航中具有理想的跟踪轨迹（直线和圆周两种轨迹）。拟解决的主要问题（1）机器人运
3、动学模型的建立（2）自适应轨迹跟踪控制问题（3）最优控制器的设计（4）实现一定的抗干扰能力三、研究的方法与技术路线2技术路线采用滑模变结构实现对移动机器人的轨迹跟踪控制。滑模变结构控制是根据系统所期望的动态特性来设计系统的切换超平面，通过滑动模态控制器使系统状态从超平面之外向切换超平面收束。系统一旦到达切换超平面，控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这一沿切换超平面向原点滑动的过程称为滑模控制。由于系统的特性和参数只取决于设计的切换超平面而与外界干扰没有关系，所以滑模变结构控制具有很强的鲁棒性，对非线性系统的控制具有良好的控制效果。首先建立机器人的运动学模型。移动机器人的运动学方程为（
4、1）对具有位姿指令和速度指令参考小车的跟踪。移动机器人从位姿移动到位姿，移动机器人在新坐标系中坐标为（2）其中。设新坐标系与坐标系之间的夹角为。根据坐标变化公式，可得到描述移动机器人位姿的误差方程为（3）由此可以得到位姿误差微分方程为（4）移动机器人运动学模型的轨迹跟踪即寻找控制输入，使其对任意的初始误差，系统式（4）在该控制输入作用下，有界，且。接着设计机器人的滑模跟踪控制器其原理可简述为在系统控制过程中,控制器根据系统当时状态,以跃变方式有目的地不3断变换,迫使系统按预定的“滑动模态”的状态轨迹运动。变结构是通过切换函数实现的,特别要指出的是,通常要求切换面上存在滑动模态区,故变结构控制又
5、常被称为滑动模态控制。设计变结构控制系统基本可分为两步1确定切换函数SX,即开关面,使它所确定的滑动模态渐近稳定且有良好的品质,开关面代表了系统的理想动态特性。2设计滑模控制器,使到达条件得到满足,从而使趋近运动非滑动模态于有限时间到达开关面,并且在趋近的过程中快速、抖振小。移动机器人运动学模式即公式（4），是一个多输入非线性系统，其切换函数可以采用BACKSTEPPING方法来设计。BACKSTEPPING方法亦称反步控制法，它是基于LYAPUNOUV稳定性理论，以一种递归的方式构造出LYAPUNOVI函数，并推导出使整个闭环系统呈LYAPUNOV稳定的控制律的设计方法。反步控制法的基本思想
6、是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统设计部分LYAPUNOV函数简称矿函数和中间虚拟控制量，一直“后退”到整个系统，将它们集成起来完成整个控制律的设计。反步控制法适用于可状态线性化或具有严参数反馈的不确定非线性系统。最后进行软件仿真。采用MATLAB软件对圆形和直线两种线路分别进行仿真。观察结果并对程序进行修改，使其具有一定的抗干扰能力和较为准确的轨迹跟踪。四、研究的总体安排与进度2010年12月2011年1月选题、完成外文翻译、文献综述、开题报告。2011年1月2011年2月完成设计的准备工作熟悉MATLAB编程软件和SIMULINK工具箱对系统进行建模仿真。2
7、011年2月2011年3月完成程序的编写，修改工作。2011年3月2011年4月进行仿真并分析结果，完成毕业论文。五、主要参考文献1李建华，庄健，王孙安。基于综合导向的轮式移动机器人自适应轨迹跟踪控制J西安交通大学学报，20053，第39卷，第3期。2李世华，田玉平。移动小车的轨迹跟踪控制J。控制与决策，2000,15（5）6266283叶涛，侯增广，谭民，李磊，陈细军。移动机器人的滑模轨迹跟踪控制。高技术通讯，2004,171744吴卫国，陈辉堂，王月娟。移动机器人的全局轨迹跟踪控制。自动化学报，2001,27（3）32633145张立勋，卜迟武。基于全局视觉的服务机器人滑模轨迹跟踪控制。辽
8、宁工程技术大学学报，2009年，第28卷第1期。6王超越，景兴建。非完整约束移动机器人人工场导向控制研究J。自动化学报，2002,28（5）7777837刘钰。轮式移动机器人滑模轨迹跟踪控制研究。金陵科技学院学报，2009年9月，第25卷，第3期。8蔡自兴。机器人学M北京清华大学出版社，200022_269熊蓉,张翮,禇健等四轮全方位移动机器人的建模和最优控制J控制理论与应用2006231939810刘金琨滑模变结构控制MATLAB仿真北京清华大学出版社,2005262_26511FARZADPOURBOGHRAT,MATTIASPKARLSSONADAPTIVECONTROLOFDYNAMI
9、CMOBILEROBOTWITHNONHOLONOMICCONSTRAINTSJCOMPUTERSANDELECTRICALENGINEERING,2002,2824125312SONGYONGDUAN,GAOWEIBINGAVARIABLESTRUCTUREPATHTRACKINGCONTROLSTRATEGYFORROBOTICSAPPLICATIONSJCONTROLTHEORYANDAPPLICATIONGSMAR,1991,VOL8,NO113DVDIMAROGONAS,SGLOIZOU,KJKYRIAKOPOULOS,MMZAVLANOS,AFEEDBACKSTABILIZATIO
10、NANDCOLLISIONAVOIDANCESCHEMEFORMULTIPLEINDEPENDENTNONPOINTAGENTS,AUTOMATICA42220062292435毕业设计文献综述电气工程及其自动化车式移动机器人系统的轨迹跟踪控制研究历史20世纪中期，计算机和自动化技术的发展，原子能的开发利用为机器人的发展利用奠定了基础，但由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，所以总体来说60年代及以前都处在机器人的研究和开发阶段。70年代开始，计算机控制技术、通信技术、大规模和超大规模集成电路迅猛发展为机器人的发展提供了便利。微电子学的出现不仅使机器人装置灵活可靠，而且价廉物美。80年代开始
11、，由于美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了地面天人作战平台的战略计划。因此全世界掀开了全面研究移动机器人的序幕。国外，在移动机器人研究方面，美、英、德、法、日等国家走在世界前列。时至今日，各类移动机器人的研究制造已经达到一定水平，应用范围涉及人民生活的各个方面。国内，对于移动机器人的严重研究开始于“七五”计划的制定，在各大学、研究院的共同努力下，相继研制出各类用于各个不同场合的移动机器人，技术日趋成熟，但与世界先进水平还有一定距离。同时，关于机器人轨迹控制的研究伴随对移动机器人的研究一同深入。研究现状由于对于机器人轨迹控制的研究不断深入，现阶段涌现出基于各种非线性控制理论的控制
12、方法，大致有如下几种1非线性状态反馈NONLINEARSTATEFEEDBACK控制方法非线性状态反馈方法主要通过非线性状态反馈，基于非完整移动机器人运动学模型，设计非线性状态反馈控制律，得到一个闭环系统。这里的状态，是指非完整移动机器人闭环控制系统状态空间方程中的状态向量，用非完整移动机器人期望轨迹与实际轨迹之间的位姿误差来表示。该方法最大的问题在于如何使系全局渐近稳定在原点平衡状态。ANDREANOVEL等人全面地分析了轮式非完整移动机器人的结构与其反馈线性化的关系。CSAMSON等利用微分平坦的概念，引入动态反馈得到指数收敛的存在奇异点的局部跟踪控制律用一维动态跟踪控制器方法可以得到闭环
13、系统无奇异点的跟踪控制器，但该方法要求参考角速度控制输入不能趋于零，这使得轨迹跟踪里最通常的直线轨迹跟踪变得不能实现。62滑模SLIDINGMODE控制方法滑模控制方法的主要思想在于利用高速的开关控制律，驱动非线性系统的状态轨迹渐近地到达一个预先设计的状态空间曲面上，该表面称作滑动或开关表面，并且在以后的时间，状态轨迹将保持在该滑动表面上，对于系统的模型不确定性和外部扰动具有很好的鲁棒性。作为一种鲁棒控制手段，基于非完整移动机器人运动学模型的滑模控制已经被应用于非完整移动机器人运动控制的理论研究中。滑模控制方法的主要问题在于控制律中的不连续项会直接转移到输出项，使系统在不同的控制逻辑之间来回高
14、速切换引起系统出现不可避免的“抖振”现象，造成实际控制效果较差。3自适应ADAPTIVE控制方法当受控系统参数发生变化时，自适应控制通过及时地辨识、学习和调整控制律，可以达到一定的性能指标。该方法不需要系统动力学模型信息，只是根据系统性能自适应调整控制器增益，具有计算简单和鲁棒性好的优点。但是自适应方法实现过于复杂，难于满足一般的非完整移动机器人控制的实时性要求，而且当存在参数不确定性时，自适应控制较难保证系统的稳定性，所以尚未应用于实际非完整移动机器人平台。4计算力矩COMPMEDTORQUE方法计算力矩方法是一种基于机器人逆动力学模型直接控制电机电流的方法。该方法考虑了各种扰动因素。由于计
15、算力矩法的效果取决于它所依据的动力学模型的精确程度，即使是在无外界干扰的条件下，对非完整移动机器人的精确动力学建模也是难以实现的，因此该方法的鲁棒性较差，理论和实践意义都不大。5反步BACKSTEPPING控制方法反步控制方法是基于LYAPUNOUV稳定性理论，以一种递归的方式构造出LYAPUNOVI函数，并推导出使整个闭环系统呈LYAPUNOV稳定的控制律的设计方法。反步控制法的基本思想是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，然后为每个子系统设计部分LYAPUNOV函数简称矿函数和中间虚拟控制量，一直“后退”到整个系统，将它们集成起来完成整个控制律的设计。反步控制法适用于可状态线性
16、化或具有严参数反馈的不确定非线性系统。6智能INTELLIGENT控制方法智能控制使控制系统设计不再依赖于数学模型，摆脱了线性局限，同时也为解决非完整移动机器人运动控制问题提供了新的手段，具有巨大的理论价值和应用前景。对运动控制问题，目前主要应用的是模糊控制和神经网络控制。7发展动向和趋势研究移动机器人轨迹跟踪控制问题，虽然理论意义重大，但最终还是要服务于控制系统实现，即应用于实际机器人平台。因此人们总是希望所设计的控制律，在理论上可行的前提下能尽量同时兼顾下列特性硬件设计和软件编程上能够应用于实际的非完整移动机器人平台可行性；占用最少的系统资源做出最快的响应实时性；适用于不同的非完整移动机器
17、人平台通用性；闭环系统在原点平衡状态是全局一致渐近稳定的稳定性；不改变控制器参数的取值而对各种不同的期望值都能取得满意的镇定或跟踪效果鲁棒性控制量的变化要尽量光滑连续以降低系统机械和能量损耗并延长有效工作时间和使用寿命光滑性。运动学模型与动力学模型相比，除了模型简单通用不存在不确定项之外，还有一个巨大的优势在于，运动学模型本身即符合非完整约束条件。这样，在某些条件下，控制律设计就可以不必再单独考虑非完整约束条件。有鉴于此，移动机器人轨迹跟踪控制问题的理论研究将以智能控制方法为发展趋势，以期更好地解决稳定性、鲁棒性和光滑性问题。而应用研究上，为确保可行性、通用性和实时性，将继续基于非完整移动机器
18、人运动学模型，以状态反馈控制方法为主导，同时寻求稳定性、鲁棒性和光滑性的改善。参考文献1李建华，庄健，王孙安。基于综合导向的轮式移动机器人自适应轨迹跟踪控制J西安交通大学学报，20053，第39卷，第3期。2李世华，田玉平。移动小车的轨迹跟踪控制J。控制与决策，2000,15（5）6266283叶涛，侯增广，谭民，李磊，陈细军。移动机器人的滑模轨迹跟踪控制。高技术通讯，2004,171744吴卫国，陈辉堂，王月娟。移动机器人的全局轨迹跟踪控制。自动化学报，2001,27（3）3263315张立勋，卜迟武。基于全局视觉的服务机器人滑模轨迹跟踪控制。辽宁工程技术大学学报，2009年，第28卷第1期
19、。6王超越，景兴建。非完整约束移动机器人人工场导向控制研究J。自动化学报，2002,28（5）7777837刘钰。轮式移动机器人滑模轨迹跟踪控制研究。金陵科技学院学报，2009年9月，第25卷，第3期。8蔡自兴。机器人学M北京清华大学出版社，200022_2689熊蓉,张翮,禇健等四轮全方位移动机器人的建模和最优控制J控制理论与应用2006231939810刘金琨滑模变结构控制MATLAB仿真北京清华大学出版社,2005262_26511FARZADPOURBOGHRAT,MATTIASPKARLSSONADAPTIVECONTROLOFDYNAMICMOBILEROBOTWITHNONHOL
20、ONOMICCONSTRAINTSJCOMPUTERSANDELECTRICALENGINEERING,2002,2824125312SONGYONGDUAN,GAOWEIBINGAVARIABLESTRUCTUREPATHTRACKINGCONTROLSTRATEGYFORROBOTICSAPPLICATIONSJCONTROLTHEORYANDAPPLICATIONGSMAR,1991,VOL8,NO113DVDIMAROGONAS,SGLOIZOU,KJKYRIAKOPOULOS,MMZAVLANOS,AFEEDBACKSTABILIZATIONANDCOLLISIONAVOIDANCE
21、SCHEMEFORMULTIPLEINDEPENDENTNONPOINTAGENTS,AUTOMATICA42220062292439本科毕业设计（20届）车式移动机器人系统的轨迹跟踪控制10摘要【摘要】近年来，机器人的应用越来越广泛，从原来单一的制造业，逐渐拓展到像医疗、家务、娱乐等非制造业和服务行业。它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
22、用和民用价值。本文首先研究了车式移动机器人的运动学模型，建立了机器人的运动学模型。然后根据其模型，提出了机器人自适应轨迹跟踪控制方法。比较了现阶段常用的几种用于机器人轨迹跟踪控制的方法。最后选用了滑模轨迹跟踪控制，并用反步法（BACKSTEPPING）设计控制器。采用MATLAB软件对圆形和直线两种线路分别进行仿真。给出了仿真结果。【关键词】车式移动机器人；轨迹跟踪；反步法（BACKSTEPPING）；滑模控制。11ABSTRACT【ABSTRACT】INRECENTYEARS,ROBOTUSEDMOREWIDELY,FROMTHEORIGINALSINGLEMANUFACTURING,GRA
23、DUALLYEXPANDTOLIKEMEDICAL,HOUSEWORK,ENTERTAINMENT,ANDTHEMANUFACTURINGANDSERVICEINDUSTRIESTHEEMERGENCEOFTHEPOWERFULPROMOTEDTHEPROGRESSOFSCIENCEANDTECHNOLOGYANDTHEDEVELOPMENTOFSOCIALECONOMY,BRINGHUGEECONOMICWEALTHTOPEOPLEROBOTICTECHNOLOGYISRAPIDLYINNEWTECHNOLOGYREVOLUTIONDEVELOPEDANEWSUBJECT,ISONEOFTH
24、EGREATESTINVENTIONSINHUMANBEINGSTHERESEARCHHASBEENAGREATIMPORTANCEATHOMEANDABROAD,THEHIGHTECHNOLOGYFIELDS,NATIONALRESEARCHINSTITUTIONSHAVEDEVELOPEDACCORDINGTOTHENEEDOFDIFFERENTUSESOFROBOTMOBILEROBOTISANIMPORTANTBRANCHOFTHEROBOTICS,HAVINGIMPORTANTMILITARYANDCIVILIANVALUETHISPAPERFIRSTSTUDIEDCARTYPEMO
25、BILEROBOTKINEMATICSMODEL,THENESTABLISHINGTHEROBOTSKINEMATICSMODELTHENACCORDINGTOTHEMODEL,PUTINGFORWARDROBOTADAPTIVETRAJECTORYTRACKINGCONTROLMETHODCOMPARETHEPRESENTSEVERALDIFFERENTMETHODSFORROBOTTRAJECTORYTRACKINGCONTROLFINALLYCHOOSETHESLIDINGMODETRAJECTORYTRACKINGCONTROL,ANDUSETHEBACKTEPPINGTODESIGN
26、THECONTROLLERBASEDONMATLABSOFTWAREOFCIRCULARANDLINEARTWOCIRCUITSIMULATIONRESPECTIVELYGIVINGTHESIMULATIONRESULTS【KEYWORDS】CARLIKEMOBILEROBOT；TRAJECTORYTRACKING；BACKSTEPPINGSLIDINGMODECONTROL。12目录ABSTRACT11目录121绪论1311引言1312非完整移动机器人的运动控制问题1313移动机器人的轨迹跟踪控制方法分类1414移动机器人轨迹跟踪控制方法简介1415移动机器人发展动向和趋势152MATLAB
27、软件及SIMULINK简介1721MATLAB语言特点17211MATLAB基本功能17212MATLAB优势1922SIMULINK工具简介20221SIMULINK模块库介绍20222SIMULINK功能模块的处理213滑模变结构控制简介2331滑模变结构控制23311滑模变结构的抖振问题及解决方法23312滑模变结构控制应用2432自适应滑模变结构控制244移动机器人的滑模轨迹跟踪控制2641移动机器人的运动学模型2642切换函数的设计2843滑模控制器的设计295设计程序及仿真结果3151直线轨迹仿真结果3152圆线形轨迹仿真结果32参考文献35致谢错误未定义书签。附录36131绪论1
28、1引言近年来，机器人的应用越来越广泛，从原来单一的制造业，逐渐拓展到像医疗、家务、娱乐等非制造业和服务行业1。它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。在自动化生产、工农业生产、危险环境作业等方面，具有自主感知、决策和执行能力的移动机器人有着人类无可比拟的优势。由于机器人在不断发展和其具有的模糊性，各界对机器人的定义一直是见仁见智的。一般的定义是移动机器人是一种在复杂环境下工作的，具有自行组织、
29、自主运行、自主规划的融合了计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术等的智能机器系统。1988年法国的埃斯皮奥则将机器人定义为“机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方祛作为研究对象”2。众所周知，移动机器人是一个及其复杂的综合智能系统。它包括了环境感知、决策自定义、决策执行等诸多功能。而对于自主式移动机器人来说运动控制是最基本也是必须实现的底层功能，是移动机器人实现其他高级功能的基础。由于移动机器人是一个非完整的系统，也就是说系统中具有不可积分的高级方程，因此它成为了一个十分艰巨和棘手的课题，业界专家学者花费大量人力物力进行研究。12非完整移动机器人的运动
30、控制问题非完整移动机器人是近年来日益受到国内外专家关注的课题，相关的研究也在不断开展之中。通常在机器人的整个运动过程中，要考虑许多因素，譬如环境温度，湿度，地理地形等。像这样的要考虑外界一些限制因素的系统，通常被称为受限系统。这些约束条件一般都可以表示为广义坐标中位移、速度及加速度之间的关系，它们又可分为完整约束和非完整约束两类。如果受控对象只有空间位置受到限制，或者空间位置和速度同时受到限制但是经过积分等手段后仍可转化为只对空间位置的约束，这样的系统我们称为完整约束系统。由于可以从约束条件中通过积分或线性变换等方法解出有限个状态变量，从而可将原受限系统转化为一个低维系统，所以此类系统的分析与
31、综合问题与无约束系统相比而言要简单许多，对其的研究已有重大突破并取得了很好的实际应用效果。而如果同时对空间位置和运动速度有限14制的系统，则称为非完整约束系统，这样的系统我们无法通过积分等手段使系统只对受控对象的空间位置进行限制。具有非完整约束的系统也被称为非完整系统。这类非完整系统，由于存在不可积分的高阶方程，且不能对其进行任何降维变换，就使得该类系统非常复杂，一些在非线性控制中比较有效的方法用在这里得不到让人满意的结果，这样一来让非完整系统显得十分棘手和难以处理。另一方面，由于非完整性移动机器人具有其它类型机器人不能比拟的良好的机动性，可靠性和灵活性，而且这类机器人允许某些关节可以无驱动，
32、使其可以大大降低生产成本、重量和能耗值，因此非完整性移动机器人近年来受到了的广泛的关注。13移动机器人的轨迹跟踪控制方法分类机器人运动控制的一个极其重要的方面就是移动机器人轨迹跟踪控制，当要求机器人在一个特定的时间达到一个特定点时，必须采用轨迹跟踪控制。在轨迹跟踪控制中，移动机器人要求跟踪的期望轨迹是以时间关系曲线给出的。过去多年对移动机器人的研究不断深入，到现阶段可以用于实际应用的方法大致有后面介绍的几种。14移动机器人轨迹跟踪控制方法简介1计算力矩方法这种方法虽然会考虑到各种因素，包括所建模型自身的不确定因素，但是其效果取决于它所依据的动力学模型的精度。而事实上即使外界没有干扰，要建立非完
33、整移动机器人的精确的动力学建模是非常困难的，而且在实际应用中该方法的鲁棒性较差。该方法一般不在实际应用中考虑。2自适应控制方法自适应控制和常规的反馈控制和最优控制一样，也是一种基于数学模型的控制方法，当受控对象的参数发生变化时，自适应控制能修正系统的特性以适应对象和扰动的动态特性的变化。该方法可以借鉴的经验只是比较少。其优点是计算比较简单，对于系统具有良好的鲁棒性能。该方法比较明显的缺点是比起其他常规控制方法过于复杂，且成本高昂，所以一般只有在常规控制方法不能满足性能要求时才会考虑。此外，当系统自身带有不确定因素时，自适应控制很难保证系统的稳定性。（3）非线性状态反馈方法所谓非线性控制系统是指
34、状态变量和输出变量相对于输入变量的运动特性不能用线性关系描述的控制系统。该方法是基于非完整移动机器人运动学模型，为此我们需要设计一个闭环系统，其中必须有非线性状态反馈控制律。前面所指的“状态”可以理解为移动机器人在系统方程中的“状态向量”。我们可以用移动机器人的实际位置与期望位置之间的位置误15差来表示该“状态向量”。这种方法一个最大的显而易见的缺点是无法使整个系统在原点处处于平衡状态。特别说明，该方法不能用于移动机器人的直线轨迹跟踪控制，因为该方法要求预设角速度不能为0。4滑模控制方法该方法本质上是一种特殊的非线性控制，且多表现为不连续控制。该方法与其他控制方法最大的不同之处在于可以使系统不
35、处于一个“固定”的状态，换言之，系统处在一个动态过程中。该方法的原理，根据期望得到的动态特性设计一个切换超平面，再设计一个滑动模态控制器使整个系统实现从超平面之外向切换超平面收束。一旦整个系统到达了切换超平面，这种控制作用将保证系统沿切换超平面到达系统原点，这个过程我们称之为滑模控制。该方法具有良好的控制效果，能克服系统带有的不确定性。特别是对于干扰和没有建模的系统具有很好的鲁棒性能（鲁棒性是指控制系统在某种类型的扰动作用下，包括自身模型的扰动下，系统某个性能指标保持不变的能力）。该方法的缺点是会使系统出现“抖振”现象，可能导致得到的实际效果不能尽如人意。5反步控制方法该方法的基本思想是将复杂
36、的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统，并且以一种递归的方式为每个子系统设计构造出LYAPUNOVI函数，最后推导出可以使整个闭环系统呈LYAPUNOV稳定的控制律的设计方法3。当不确定非线性系统可状态线性化，或者具有严参数反馈时，可以考虑用该中方法。6智能控制方法上述几种方法几乎都要为机器人建立各种模型，而该种控制方法则不需要进行建模，这就摆脱了线性局限，是一种研究移动机器人轨迹跟踪的新手段，有良好的应用前景和研究价值。15移动机器人发展动向和趋势所有对于移动机器人的轨迹跟踪控制研究到最后都是为了服务于现实，也就是让其能够在实际的机器人平台上得到实现，能有预期的效果。在设计可行的控制律的同
37、时，人们总是希望还能兼有下面的特性A光滑性最好让控制对象的控制参数以一种平滑的方式渐变，以延长工作寿命降低损耗；（B）实时性系统能速度做出相应的同时占用最少的资源；C鲁棒性在外界突发变故，或突加干扰时，可不改变系统自身的参数设定而让系统继续保持稳定；D稳定性整个系统可以在原点处达到一种渐近稳定；E通用性可以在不同的机器人平台上运行；F可行性不管是软件编程还是硬件设计到最后都能在实际的机器人平16台上运行。移动机器人的运动学模型在和动力学模型相比时，有一个明显的优点模型非常简单，没有不确定项。此外还有一个显而易见的优点是，在建立运动学模型时已经考虑了非完整约束条件，所以再设计控制律时就可以不考虑
38、非完整约束条件了。综上所述，运用智能控制方法进行移动机器人轨迹跟踪控制理论研究会是未来几年主流的研究方法。其目的不言而喻，就是要在移动机器人系统的稳定性，抗干扰能力，光滑性等方面实现突破。在实际应用方面，还是会基于非完整移动机器人运动学模型进行研究，以状态反馈控制方法为主流研究方法，同时在机器人系统的稳定性、鲁棒性、光滑性等方面寻求改善，以确保整个系统的可行性、通用性和实时性。172MATLAB软件及SIMULINK简介21MATLAB语言特点MATLAB最明显的也是最突出的优点就是“简洁”。它更直观，也更符合人们思维习惯，完全不像C语言或者FORTRAN编程起来冗长繁琐。MATLAB的编程环
39、境简洁清爽，用户一目了然。下面简单介绍一下MATLAB的特点。MATLAB不像C有诸多语言限制，用户自由发挥余地较C大许多。MATLAB程序有很好的移植性，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。MATLAB有C面向对象的特性，也具有结构化的控制语句，如FOR循环、WHILE循环、BREAK语句和IF语句。库函数丰富，语言简单易懂。MATLAB的程序书写相比C或FORTRAN来说是最随意的，可以利用丰富的库函数避开可能要自己书写的繁琐的方程程序。而且MATLAB的库函数都由专家编写，用户完全不用担心其中的函数会出现错误。从这个意义上说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀
40、上。运算符丰富。MATLAB与C语言异曲同工，所以C语言中的运算符在MATLAB中都可以找到，如果能够很好的利用这些运算符，会大大简化用户的编程量。具体运算符见附表。MATLAB具有C语言或FORTRAN不可比拟的强大的图形功能，数据的图形化变得简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。MATLAB语言有较强的开放性。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。MATLAB具有功能强大的工具箱。MATLAB包含两个部分核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类
41、功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能4。MATLAB也有其缺点，其程序执行速度较慢。211MATLAB基本功能MATLAB提供的基本算术运算有加（）、减（）、乘（）、除（/）、幂次方（）。MATLAB的关系和逻辑运算符与其他软件基本相同，仅列表加以说明表21MATLAB基本运算符18符号功能符号功能赋值运算NLENGTHTA1B15L02005R0097EUSESE1PI/2K13K23KY10KS3SERVCXYXEYESEEX112Y12WW103VV104XRYRYR10XR11PSEOVC02WC0RC
42、02FORI1NSERIPI/3XRI1XRI01VCCOSPI/3YRI1YRI01VCSINPI/3SEI1SEI01WIXI1XI01VICOSSEIYI1YI01VISINSEIECOSSEIXRIXISINSEIYRIYISINSEIXRIXICOSSEIYRIYISERISEI37XEIE1YEIE2SEEIE3JIAOSDWC2VCKYYEICOSSEEI/2KSSINSEEI/2YEDWC2KYYEIVCCOSSEEIKSSINSEEI/2XEIVCSINSEEISED2KYYEIVCCOSSEEI/2KSSINSEEI/2JIAOSDD2KYVCYEDCOSSEEI/2KYV
43、CYEISINSEEI/2SED05KSCOSSEEI/2SEDXIANSDVCCOSSEEIK1SINATANJIAOSDJIAOSDXEIK1VCSINATANJIAOSDSINSEEIK2XEIK1SINATANJIAOSDYEIK1COSATANJIAOSD1/1JIAOSD2JIAOSDDYEIWI1JIAOSDVI1XIANSDENDFIGUREPLOTX1300,Y1300,KHOLDONPLOTXR1300,YR1300,RH_XLABELXLABELX/MH_YLABELYLABELY/MH_LEGENDLEGEND实际轨迹,期望轨迹,2LEGENDBOXOFFSETH_XL
44、ABEL,FONTSIZE,16SETH_YLABEL,FONTSIZE,16SETGCA,FONTSIZE,14SETH_LEGEND,FONTSIZE,14SAVEASGCF,ZHIYI,EMFZUOB11100/10FIGUREPLOTZUOB1,V1100,RHOLDONPLOTZUOB1,W1100,GZUOB1120H_LEGENDLEGEND线速度,角速度,1LEGENDBOXOFFFIGURE38PLOTZUOB/10,XR1120X1120,RH_XLABELXLABELT/SH_YLABELYLABELX_E/M,Y_E/M,THETA_E/RADHOLDONPLOTZUO
45、B/10,YR1120Y1120,KHOLDONPLOTZUOB/10,SEE1120,BH_LEGENDLEGENDX_E,Y_E,THETA_E,1LEGENDBOXOFFSETH_XLABEL,FONTSIZE,16SETH_YLABEL,FONTSIZE,16SETGCA,FONTSIZE,14SETH_LEGEND,FONTSIZE,14SAVEASGCF,ZHIER,EMF2、圆形轨迹程序T001100NLENGTHTA1B15L02005R0097EUSESE12PI/3K115K215KY25KS52WC02SERVCXYXEYESEEX112Y103WW103VV10439X
46、RYRPSEOVC02WC02RC1FORI1NSEOI01IWCSERIPI/2SEOIXRIRCCOSSEOIYRIRCSINSEOISEI1SEI01WIXI1XI01VICOSSEIYI1YI01VISINSEIECOSSEIRCCOSSEOIXISINSEIRCSINSEOIYISINSEIRCCOSSEOIXICOSSEIRCSINSEOIYISERISEIXEIE1YEIE2SEEIE3JIAOSDWC2VCKYYEICOSSEEI/2KSSINSEEI/2YEDWC2KYYEIVCCOSSEEIKSSINSEEI/2XEIVCSINSEEISED2KYYEIVCCOSSEEI/
47、2KSSINSEEI/2JIAOSDD2KYVCYEDCOSSEEI/2KYVCYEISINSEEI/2SED05KSCOSSEEI/2SEDXIANSDVCCOSSEEIK1SINATANJIAOSDJIAOSDXEIK1VCSINATANJIAOSDSINSEEIK2XEIK1SINATANJIAOSDYEIK1COSATANJIAOSD1/1JIAOSD2JIAOSDDYEIWI1JIAOSDVI1XIANSDENDFIGUREPLOTX,Y,KHOLDONPLOTXR,YR,RAXIS1151115AXISEQUALH_XLABELXLABELX/MH_YLABELYLABELY/MH
48、_LEGENDLEGEND实际轨迹,期望轨迹,1LEGENDBOXOFFSETH_XLABEL,FONTSIZE,1640SETH_YLABEL,FONTSIZE,16SETGCA,FONTSIZE,14SETH_LEGEND,FONTSIZE,14SAVEASGCF,YUANYI,EMFFIGUREPLOTV120,RHOLDONPLOTW120,GZUOB1120FIGUREPLOTZUOB/10,XR1120X1120,RH_XLABELXLABELT/SH_YLABELYLABELX_E/M,Y_E/M,THETA_E/RADHOLDONPLOTZUOB/10,YR1120Y1120000247,KHOLDONPLOTZUOB/10,SEE1120001,BH_LEGENDLEGENDX_E,Y_E,THETA_E,1LEGENDBOXOFFSETH_XLABEL,FONTSIZE,16SETH_YLABEL,FONTSIZE,16SETGCA,FONTSIZE,14SETH_LEGEND,FONTSIZE,14SAVEASGCF,YUANER,EMF
