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原文传递考虑内稳定与外避障的两轮自平衡车轨迹规划与跟踪控制

论文题名：	考虑内稳定与外避障的两轮自平衡车轨迹规划与跟踪控制
关键词：	两轮自平衡车;外避障;轨迹规划;跟踪控制;运动控制
摘要：	两轮自平衡车具有结构紧凑、运动灵活和耗能低等诸多优点，在交通运输、仓储物流和家居服务等领域具有重要的应用价值。轨迹规划与跟踪控制是两轮自平衡车运动控制的关键技术，是其实现高效自主运动并执行相应任务的基础。然而，这类车辆具有典型的非完整和欠驱动特点，且在运动过程中面临内稳定与外避障的多种约束条件，使得其轨迹规划与跟踪控制极具挑战性。为此，本文在规划层面充分考虑其运动学和动力学特性，以及所面临的多种约束条件，从而显著降低跟踪控制器的设计难度，同时提高运动控制性能，并有效适应多障碍环境。主要研究工作归纳如下：　　首先，针对两轮自平衡车的定点运动问题，研究速度、加速度和车身倾角等内部状态稳定约束下的轨迹规划方法。采用先原地转向后纵向直行的方式避免非完整特点带来的定点运动障碍，并提出基于运动耦合关系的纵向运动轨迹规划方法解决系统的欠驱动问题，从而实现渐近稳定的定点运动。进一步，考虑时间最优定点运动，将内稳定约束下的最优轨迹规划转化为拟凸优化问题，并利用二分法求得离散最优轨迹。采用B样条自适应插值技术对离散轨迹进行插值获得具有解析表达式的规划轨迹。然后，设计常规跟踪控制器对所规划轨迹进行跟踪，实现期望的两轮自平衡车定点运动。　　其次，考虑两轮自平衡车的避障运动问题，研究运动空间和障碍物等外部环境约束下的轨迹规划与协调控制策略。针对环形运动空间，选择圆形匀速轨迹作为避障规划轨迹，并采用非奇异终端滑模控制与线性二次型调节器对规划轨迹进行协调跟踪控制，实现空间约束下的两轮自平衡车避障运动。另外，考虑道路障碍环境，提出基于圆弧和过渡曲线的柔顺避障轨迹规划方法，得到曲率连续和纵向加速度近似为零的规划轨迹。在此基础上，构建基于直接自适应模糊与嵌套饱和算法的稳定跟踪控制策略，实现较大初始车身倾角和存在外部扰动情况下的避障轨迹稳定跟踪。　　再次，面向多障碍环境中的高效运动问题，研究兼顾内稳定与外避障的两轮自平衡车最优轨迹规划方法。对于障碍混杂分布场景，推导引入安全距离的改进人工势场，并基于改进人工势场设计实时避障规划控制器。此外，利用模糊逻辑对相关参数进行调节，在保证系统稳定的同时提高避障运动效率。进一步，考虑障碍分布未知与最优运动目标，开发基于自主建图的多目标最优路径求解算法。然后，结合系统内部状态稳定约束，提出沿给定优化路径的最小时间轨迹规划方法。在此基础上，设计跟踪控制器对所规划轨迹进行跟踪，实现未知障碍分布环境中兼顾内稳定与外避障的最优运动。　　最后，搭建基于超宽带(Ultra-wideBand,UWB)定位技术和机器人操作系统(RobotOperatingSystem,ROS)的两轮自平衡车实验系统，对相关理论方法进行实验验证。结合单片机和惯性测量组件等，设计基于UWB定位技术的轨迹规划与跟踪控制实验系统，并进行考虑内稳定的定点运动轨迹规划方法实验和面向外避障的轨迹规划与协调控制策略实验。另外，采用树莓派单板机和激光雷达等，搭建基于ROS的地图构建与导航控制实验系统，并进行兼顾内稳定与外避障的最优轨迹规划方法实验。结果表明，依托所搭建的实验平台并采用相关理论方法，能够实现预期的运动控制效果。
作者：	宁一高
专业：	车辆工程
导师：	岳明
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021