D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.01.020 第25卷第1期 北京科技大学学报 VoL.25 No.1 2003年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feb.2003 轮式移动操作机器人的鲁棒跟踪控制器设计 张硕生！ 余达太) 1)北京石油化工学院自动化系.北京1026002)北京科技大学机器人研究所，北京100083 摘要针对轮式移动操作机器人的非完整性和不确定性，为其设计了鲁棒跟踪控制器，即 采用分段运动学到动力学方法为移动平台设计动力学跟踪控制器，并分别为移动平台和机 械手设计神经网络控制器，利用遗传算法来搜索神经网络的优化权系值，从而补偿平台与机 械手间的不确定量.通过Matlab的Simulink以及CMEX文件对所设计的控制器仿真，结果表 明此控制器具有较强的鲁棒性. 关键词轮式移动操作机器人：鲁棒跟踪控制器；分段运动学到动力学方法：神经网络 分类号TP242.6 轮式移动操作机器人在地面上滚动时，会受 计了神经网络控制器，并补偿不确定量，从而实 到非完整约束，这使得对轮式移动操作机器人的 现轮式移动操作机器人的鲁棒跟踪控制， 研究必须建立在非完整系统理论基础上，另外， 移动操作机器人是强不确定的，它的不确定性主 1 动力学方程 要来自两个方面：一个是移动平台和机械手之间 的相互耦合作用而引起模型的不精确：另一个来 轮式移动操作机器人的结构简图如图】所 自动态的、非结构化的环境，使移动操作机器人 示.图中移动平台类似于汽车，车体为矩形，其底 受到许多意想不到的干扰，如地面的不规则，轮 部安装着四个轮子，后轮为驱动轮，前轮为转向 子滑动等.轮式移动操作机器人的强不确定性要 轮.设平台的驱动力矩为t,转向力矩为平台 求设计鲁棒控制器，而非完整性使鲁棒控制器的 上的机械手为n个串联的杆件结构，构形为q, 设计变得十分困难. 驱动力矩为tm.图中建立的坐标系有{W,{P)和 目前有两种处理非完整移动操作机器人动 (B},其中{W为世界坐标系，原点为o,{xoz) 力学控制的方法：第一种是以Yamamoto为代表， 确定了移动平台运动的水平面；{P}为移动平台 采用输入一输出反馈线性化的方法设计动力学控 坐标系，原点0，为平台两后轮轴的中点，x,轴为平 制器；另一种采用分段运动学到动力学方法1 台的纵轴，⅓轴平行于后轮轴；{B)为机械手基座 Chung推导了移动操作机器人的非线性控制算 坐标系，原点。为机械手在移动平台上的安装位 法，控制器包括机械手的自适应控制器和用于移 未端执行器 动平台的输入输出控制器，.Colbaugh用运动稳 机械手 定方法和自适应控制方法解决了不确定移动操 作机器人的运动控制问题.Tahboub将移动平台 与机械手的动力耦合作为干扰，通过观测器估计 干扰量，然后加以补偿，保证控制器的鲁棒性， 本文针对轮式移动操作机器人的非完整性， 移动平台 采用分段运动学到动力学的方法为移动平台设 计动力学跟踪控制器；针对移动平台和机械手间 的强耦合作用，为轮式移动平台和机械手分别设 图】移动操作手结构简图 收稿日期2001-12-04张硕生女，32岁，博士 Fig.1 Schematic of the mobile manipulator第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 招 】 军 及 轮式移动操作机器人的鲁棒跟踪控制器设计 张 硕 生 ” 余 达 太 “ ， 北京 石 油化工学院 自动化系 ， 匕京 北 京科技 大学机器人研究 所 ， 北京 摘 要 针对轮式移 动操作机器 人 的非完 整性 和不 确定性 ， 为其设计 了鲁棒跟踪 控制器 即 采 用 分段 运 动 学 到动力 学 方 法 为移动 平 台设计动力学跟踪控制 器 ， 并分别 为移 动平 台和 机 械手设计神经 网络控制器 ， 利用 遗传算法 来 搜 索神经 网络 的优化权 系值 ， 从 而补偿平 台与机 械 手 间的不 确定 量 通 过 的 以 及 文 件对所设计 的控制器仿真 ， 结果表 明此控制器具有较强 的鲁棒性 关 键词 轮式 移动操作机 器人 鲁棒跟踪控 制器 分段运 动学到动力 学方法 神经 网络 分类号 轮式移 动操作机器 人在 地 面 上 滚 动时 ， 会受 到非 完整 约 束 ， 这使得对轮式移 动操作机器 人 的 研究 必 须建立 在 非完 整 系统 理 论基 础上 另外 ， 移 动操作机 器人是 强 不 确定 的 ， 它 的不 确定 性 主 要 来 自两个方 面 一个 是 移 动平 台和机械 手之 间 的相 互藕合作用 而 引起模 型 的不精确 另一 个来 自动态 的 、 非 结构化 的环 境 ， 使 移 动操作机 器 人 受 到许多意 想不 到 的干 扰 ， 如 地 面 的不 规则 ， 轮 子 滑 动等 轮式移 动操作 机器人 的强 不确 定性要 求设计鲁棒控制器 ， 而非 完整性 使鲁棒控制器 的 设 计 变得 十 分 困难 目前 有两 种 处 理 非 完 整 移 动 操 作机 器 人 动 力 学控 制 的方 法 第一 种是 以 、 妞 为代表 ， 采 用 输人一输 出反 馈线性化 的方法 设计动力 学控 制器叭 另 一种采用 分段运 动学到 动力 学方法卜从 推 导 了 移动 操 作 机 器 人 的非 线性 控制算 法 ， 控 制器 包括机械 手 的 自适 应 控制器 和用 于移 动 平 台的输 人输 出控 制器 ‘ 用 运 动稳 定 方 法 和 自适 应 控制 方 法 解 决 了 不 确 定 移 动操 作 机 器人 的运 动控制 问题闭 ， 几 将移 动平 台 与机械手 的动 力祸合 作为干 扰 ， 通 过 观测 器估计 干扰量 ， 然 后 加 以 补 偿 ， 保证 控 制器 的鲁棒性 ’邓 本 文 针对轮式 移动操作机 器 人 的非 完 整 性 ， 采 用 分段 运 动 学 到 动 力 学 的 方 法 为 移 动 平 台设 计 动力学 跟 踪控制器 针对移 动平 台和机械手 间 的强祸合作用 ， 为轮式移 动平 台和机 械手分别设 收稿 日期 一 刁 张硕生 女 ， 犯 岁 ， 博士 计 了神经 网络 控 制器 ， 并 补偿不 确定 量 ， 从而 实 现 轮式移 动操作机 器人 的鲁棒跟 踪 控 制 动 力 学方 程 轮式 移 动 操作 机 器 人 的 结 构 简 图 如 图 所 示 图 中移动平 台类 似 于 汽车 ， 车体 为矩 形 ， 其底 部 安装 着 四 个 轮 子 ， 后 轮 为 驱 动 轮 ， 前 轮 为转 向 轮 设平 台的驱 动 力 矩 为 ， 转 向力矩 为 平 台 上 的机 械 手 为 。 个 串联 的杆 件结构 ， 构形 为 ， 驱 动力矩 为 图 中建立 的坐 标 系有 ， 和 ， 其 中 科 为 世 界 坐 标 系 ， 原 点 为 ， 确定 了 移 动 平 台运 动 的水平 面 丈 为移动 平 台 坐标 系 ， 原点马 为平 台两后 轮轴 的 中点 ， ‘ 轴 为平 台的纵 轴 ，外轴平 行 于后 轮轴 笼 为 机 械 手基座 坐标 系 ， 原 点 为机 械 手在 移动 平 台上 的安 装 位 未端执行器 苍叫 … 、 氏 石 图 移 动操作 手 结构简图 血 五 加 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2003．01．020