一．问题的提出移动机器人是机器人学科的一个重要分支，移动机器人研究是20世纪80年代以后兴起的一个比较新的研究领域。随着计算机、传感器、控制等领域的技术进步，移动机器人的发展也进入了一个更高的阶段。移动机器人通常指的是地面可移动机器人，主要应用在军事领域和民用服务领域。另外从更广的意义上来说，空间探测机器人和水下机器人也属于移动机器人的范畴。随着时代的发展，移动机器人必将会更加贴近我们的生活，同时在军事中也将发挥更大的作用，因此对这一课题的研究有着深刻的实际意义。但移动机器人在工作过程中必须要面对外界大量的不确定性信息的存在，如何提高移动机器人控制系统的鲁棒性，使得移动机器人在复杂的外界环境中能够快速准确地进行位姿的调整，精确地实现轨迹跟踪成为移动机器人发展中的一项关键技术。本文的目的是寻求一种易于实时硬件实现的强鲁棒性控制算法，使移动机器人在规划好的路径上能实现快速、精确的轨迹跟踪。二．移动机器人的整体结构移动机器人整体结构由三大部分组成：感知机构，控制机构，移动机构。感知机构 本移动机器人采用视觉导航，感知机构主要由图像采集单元，A/D转换单元和图像处理单元组成。控制机构 采用单片机为控制算法的核心处理单元，直流伺服电机为动力驱动装置实时调整移动机器人的位姿。移动机构 采用两驱动轮加前后万向轮的轮式移动机构，速度传感器安装在车轮轴上实时检测移动机器人的运行速度。三．研究难点1．移动机器人是一个十分复杂的多输入多输出非线性系统，它具有时变、强耦合和非线性的动力学特征，其控制是十分复杂的。由于测量和建模的不精确，再加上负载的变化以及外部扰动的影响，实际上无法得到机器人精确、完整的运动模型，我们必须面对机器人大量不确定性因素的存在。 <WP=82>2．轮式移动机器人需要考虑与外界环境的滚动接触等非完整约束因素，实际上属于一个非完整约束系统。这类系统由于以下的一些新特性，所以其控制问题也变得非常复杂。1)．非完整约束本质上是动态约束，由于不能通过积分等运算将其转化为简单的代数约束方程，使得其控制和运动规划等问题变得相当困难。2)．非完整约束系统不能采用光滑或连续的纯状态反馈实现整体的精确线性化，在光滑连续的纯状态反馈下不能实现平衡点的渐进稳定。因此目前大多数工作主要基于构造时变连续状态反馈及非连续状态反馈控制器。这类方法不仅要求准确的运动学或动力学模型，而且衰减或收敛速度也较慢 ，因此用于实时控制时往往效果较差。四．本文所作的研究本文针对以上分析的难点并结合本移动机器人实验装置的特点做了如下一些研究：1．由于非完整移动机器人系统不能采用光滑或时不变反馈控制来实现其渐进运动规划和跟踪，我们采用非连续的滑模变结构控制。滑模变结构控制的最大优点就在于它能够克服系统的不确定性，对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性。缺点是用于补偿干扰和未建模动态的高控制增益和在滑动面附近控制行为的高频转换会产生抖振现象。为此我们设计了模糊变结构控制器，引入模糊逻辑规则来削弱抖振的不利影响。模糊变结构控制器是一种混合控制器，兼有模糊控制和变结构控制的优点；既解决了模糊控制系统的稳定性和鲁棒性问题，又削弱了变结构控制中的抖振。其基本方法是在变结构控制系统的趋近阶段通过模糊逻辑调整控制作用来补偿未建模动力学的影响。由于不确定性直接影响状态轨迹的趋近速度，这就使得趋近速度也带有一定程度的不确定性，所以我们在设计模糊逻辑规则时选择系统状态和趋近速度两个变量作为模糊控制器的输入，使得系统轨迹既能快速趋近滑动面又能降低抖振，从而提高了变结构控制系统的品质。2．建立了包含伺服电机在内的系统动力学模型，尽可能减小系统的未建模动力学参数引起的误差。由于非完整约束系统不能采用光滑或连续的纯状态反馈实现整体的精确线性化，我们结合本移动机器人实验装置特点，通过合适地选取系统的输出，实现了动力学模型的输入/输出精确线性化，在此基础上设计了模糊变结构控制器。3．针对移动机器人实验装置建立了运动学模型，确定了移动机器人的位姿和控制参数之间的关系。传统的方法采用分别建立伺服电机驱动电压和两<WP=83>驱动轮转速之间的关系来调整移动机器人的位姿，这样将会产生耦合。本文直接建立起移动机器人的方向角和两伺服电机的输入差动电压之间的关系，去除了耦合，提高了控制的精度，降低了程序设计的复杂性。4．离线状态下建立了伺服驱动电机额定负载下的电压－转速特性曲线，经过换算进而得到脉宽调制系数－电压－转速之间的函数关系，大大简化了程序的设计，提高了控制的实时性。5．硬件电路设计上采用带有两路脉宽调制端口和看门狗电路的微处理器P80C552作为控制算法的核心单元，提高了处理的实时性和可靠性。同时采用一片大容量、可编程的芯片PSD834F2取代了传统电路设计中必须用到的数据存储器、程序存储器、锁存器等器件，简化了硬件电路的设计量，减小了电路板的体积。