基于matlab的小车控制系统设计

武汉理工大学毕业设计（论文）基于matlab的小车控制系统设计学院（系）：机电工程学院专业班级：学生姓名：指导教师：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日I摘要小车，即轮式移动机器人。本论文中的小车采用的是轮式差速移动模型，即通过该小车的两个电机转速的变化和正反转调节以及导向轮的辅助来改变小车的运动方向。软件控制方面采用常用数据处理软件Matlab来编程完成。利用Matlab语言构建出小车自动控制系统，可以实现对小车按设定轨迹行驶、行驶至指定位置等多种形式的控制。论文主要研究了轮式机器人作为非完整控制系统在反演算法下的模拟情况，以及轮式机器人在程序运行下真实的轨迹跟踪路线。研究结论表明：依照别人研究出的算法，根据二自由度轮式移动机器人的运动学模型，利用积分backstepping设计思想构造出更加简单的模拟反馈变量，同时结合Lyapunov直接法设置出时变反馈控制律，其控制效果能够达到全局渐近稳定。仿真结果表明机器人在控制律的作用下，能够迅速且有效地跟踪期望轨迹。并且在实物中也能运行出来。本文的特色在：根据已有的反演算法的出发，编出matlab程序，仿真成功，并且在实物上可以运行。关键词：轮式差速移动机器人；路径跟踪；Matlab；反演算法。IIAbstractThecar，whichmeanswheeledmobilerobots.Thispaperusesawheeledtrolleydifferentialmobilitymodel,thatis,bychangingboththemotorspeedandreversingthecarandadjusttheguidewheeltochangethedirectionofmotionoftheauxiliarytrolley.SoftwarecontroloftheuseofcommondataprocessingsoftwareMatlabtoprogrammingiscomplete.BuildacarusingMatlablanguageautomaticcontrolsystem,thecarcanbeachievedbysettingthetrackdriving,drivingtothespecifiedlocationandotherformsofcontrol.Thesis,awheeledrobotcontrolsystemasanon-completeinversionalgorithmundersimulatedconditions,andthewheeledrobotprogramrunsunderrealtrajectorytrackingroutes.Conclusionofthestudyshowedthat:accordingtoanalgorithmdevelopedbyothers,accordingtotwodegreesoffreedomkinematicmodelofwheeledmobilerobots,usingtheintegralbacksteppingdesignideatoconstructamoresimpleanalogfeedbackvariables,combinedwiththeLyapunovdirectmethodwhensettingthevariablefeedbackcontrollawitscontroleffectcanbeachievedgloballyasymptoticallystable.Simulationresultsshowthattherobotcontrollawineffect,beabletoquicklyandefficientlytrackthedesiredtrajectory.Andin-kindcanalsorunit.Featuresofthisarticle:Accordingtotheexistinginversionalgorithmstartingtocompilethematlabprogram,successfulsimulation,andcanrunonthephysicalsystem.Keywords:differentialwheeledmobilerobot;pathtracking;Matlab;inversionalgorithm.II目录第1章绪论........................................................11.1引言........................................................11.2机器人定义及分类............................................11.3轮式机器人发展趋势..........................................11.4移动机器人国内外研究现状....................................21.5本文主要内容与安排..........................................5第2章小车模型的讨论..............................................62.1小车的物理特性讨论..........................................62.2小车模型建立................................................7第3章小车控制系统设计............................................93.1仿真软件的选用..............................................93.2期望轨迹图像和函数表达......................................93.2.1直线...................................................93.2.2圆形..................................................103.2.3椭圆..................................................103.2.4双扭线................................................103.3控制算法理论...............................................113.3.1移动机器人控制问题背景................................113.3.2完整约束与非完整约束..................................113.3.3非完整约束机器人......................................113.3.4选择的算法特点及作用..................................123.3.5控制律设计............................................123.4不同曲线下的参数设置和仿真结果.............................143.4.1GUI的设置.............................................143.4.2直线轨迹下的参数设置和仿真结果.........................153.4.3圆形轨迹下的参数设置和仿真结果........................163.4.4椭圆轨迹下的参数设置和仿真结果.................................................173.4.5双扭线轨迹下的参数设置和仿真结果......................193.5本章总结...................................................20第4章总结与展望.................................................214.1总结.......................................................214.2展望.......................................................21参考文献..........................................................22致谢..............................................................231第1章绪论1.1引言机器人的诞生与机器人学的建立和发展是20世纪自动控制领域最具有说服力的成就，也是20世纪人类科学技术进步的重大成果，是最高意义的自动化[1]。长期以来，人类一直存在一种愿望，即创造出一种类似人的机器，代替人完成各种工作，这便是“机器人”出现的思想基础。伴随着第一次工业革命的发展，各种自动机器和动力系统呈现在大众面前，标志着机器人从梦想到现实的道路上迈出一大步[2]。1954年，美国人德沃儿设计出第一台可编程工业机器人。1962年第一台机器人在美国通用公司正式投入使用，这也标志着第一代机器人从此诞生。此后，机器人逐渐走入工业领域，出现了喷涂，机械加工，装配焊接等不同类型的机器人。作为人类的新一代生产工具，机器人的出现减轻了人类的劳动强度，提高了生产效率，机器人代替人类在危险环境中工作，其优越性更加突出[3]。美国小说家阿西莫夫在《我是机器人》这部小说中提出著名的“机器人三首则”，及机器人不能伤害人类，也不能在人类受伤害时袖手旁观；机器人必须服从人类命令，但不能违反第一原则；机器人应该保护自身安全，但不能违反第一和第二原则。这“三首则”赋予机器人人伦理性，机器人的概念也更易于为大众接受[4]。1.2机器人定义及分类国际上至今没有合适的和为人们普遍同意的“机器人”定义。本文采用美国国家标准局（NBS）提出的机器人定义，即机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置”[4]。由于机器人结构、功能不尽相同，根据不同标注，分类方法多种多样。例如按控制方式分为伺服控制和非伺服控制两种机器人；按照用途分为工业机器人、探索机器人、服务机器人、军事机器人；按照智能程度分为一般机器人、传感机器人、交互式机器人和自立机器人。如果按照移动性则分为固定机器人和移动机器人，前者固定于基座上，整个机器人（机械手）不能移动，只能移动各关节，后者可以沿着一定方向移动。本位研究的机器人属于移动机器人范畴。1.3轮式机器人发展趋势随着20世纪六十年代第一台工业机器人问世，机器人技术逐步发展和成熟。机器人大致分为三个发展阶段；工业机器人、感觉机器人和智能机器人。其中智能机器人能够