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基于自适应控制的轮式移动机器人轨迹跟踪控制

摘要

近年来，移动机器人已经成为广泛关注和研究的对象，其自主移动、智能感

知、决策以及控制等能力得到了飞速提升。针对移动机器人，轨迹跟踪控制是其

重要研究课题之一，尤其是存在不确定性因素影响环境下机器人的轨迹跟踪控制

问题，具备鲁棒性的轨迹跟踪控制策略对保障机器人的自主导航能力和工作效率

具有重要意义。本文考虑机器人本身及复杂环境的非线性、时变性、未知扰动等

不确定性因素影响，提出了一种轮式移动机器人的鲁棒自适应轨迹跟踪控制方法。

主要工作如下：

首先，建立了新的带非线性不确定性因素影响的轮式移动机器人运动学模型。

在经典轮式移动机器人运动学模型的基础上，增加了不确定性因素的影响，分别

在机器人的线速度和角速度上增加了不确定非线性函数项。不确定性函数项包括

未知参数、未知扰动以及机器人位姿状态信息，代表机器人在不同位置、不同状

态以及不同环境下受到的不确定性对运动轨迹的影响，同时给出了这两个非线性

不确定性函数的范数条件范围。

然后，基于自适应非线性阻尼，设计了轮式移动机器人自适应轨迹跟踪控制

器。在新建立的带非线性不确定性因素影响的轮式移动机器人运动学模型基础上，

引入了两个自适应参数，构造了自适应参数的自适应律及其非线性阻尼项，以克

服模型中不确定性带来的影响。基于Lyapunov稳定性理论，证明了系统的稳定性。

通过选择合适的控制器参数，移动机器人的轨迹跟踪控制误差可以收敛到任意小

的范围。

最后，通过仿真验证了自适应控制器的有效性。运用本文提出的自适应控制

方法在机器人未受到不确定性影响和受到不确定性影响两种情况下，分别在直线

轨迹、圆轨迹以及“三角圆”轨迹进行轨迹跟踪实验。在未受到不确定性因素的

情况下，轨迹跟踪仿真实验最大平均绝对误差为4.0%，最大均方误差为0.77%；

在受到不确定性影响的情况下，轨迹跟踪仿真实验最大平均绝对误差为5.3%，最

大均方误差为0.78%。接着运用其他学者提出的轨迹跟踪控制方法在相同实验条

件下进行对比验证，实验结果进一步表明了本文提出自适应轨迹跟踪控制方法的

有效性和鲁棒性。

关键词：移动机器人，轮式轨迹跟踪，不确定性，自适应控制，系统稳定

性

Trajectorytrackingcontrolofwheeledmobilerobot

basedonadaptivecontrol

ABSTRACT

Inrecentyears,mobilerobotshavebecomeasubjectofextensiveattentionand

research,withsignificantadvancementsintheircapabilitiesofautonomousmovement,

intelligentperception,decision-making,andcontrol.Trajectorytrackingcontrolisone

oftheimportantresearchtopicsformobilerobots,especiallywhendealingwiththe

challengesposedbyuncertaintiesthataffecttherobotstrajectorytrackinginthe

environment.Arobusttrajectorytrackingcontrolstrategyplaysacrucialrolein

ensuringtherobotsautonomousnavigationcapabilityandworkefficiency.Thisarticle

addressestheinfluenceofuncertainties,suchasnonlinearity,time-varyingdynamics,

andunknowndisturbancescausedbytherobotitselfandthecomplexenvir