摘要
随着科学技术的发展，轮式移动机器人广泛应用于日常生产、快递运输、军事作战和航天航空等领域。然而如何有效地控制智能移动机器人使其能够完成各类实际任务显得尤为重要。针对目前轮式移动机器人的运动控制研究仍存在控制精度不高，控制效率较低的问题，本文将以两轮轮式移动机器人为研究对象，分析机器人直线、曲线行驶轨迹控制和避障方法等研究，为移动机器人在行驶过程中精度控制和效率提高奠定良好的基础。本文的主要研究内容如下： (1)为了解决轮式移动机器人的直线运动控制问题，构建了一种极坐标系下的位置误差模型，设计了一种状态反馈控制器。采用李雅普诺夫稳定性理论方法，研究了误差控制的精度和稳定性。并使用Simulink仿真软件对轮式移动机器人直线运动进行分数阶PID控制，证实该控制方法可以保证移动机器人直线行驶时侧偏滑动减小，控制效率得到提高。 (2)针对移动机器人曲线轨迹控制问题，采用双曲正切函数以二阶和三阶的级联子系统构造新的动态分数阶PID控制器，引入有限时间控制的概念，提出轮式移动机器人的有限时间轨迹控制方法。研究了新型分数阶PID控制方法的控制原理。以有限时间稳定性判据建立闭环误差控制系统。分析了使用新型分数阶PID控制下轮式移动机器人的曲线轨迹控制效果。研究结果表明，该控制方法既能提高移动机器人轨迹控制的精度，又能提高控制效率。 (3)为了解决移动机器人轨迹控制和避障联合控制的问题，降低外部扰动的影响，设计了相应的扰动观测器和新型动态终端分数阶PID控制器以及避障补偿器，运用李雅普诺夫稳定性理论研究了分数阶PID控制系统在Simulink仿真中对轮式移动机器人的控制效果，结果表明，分数阶PID控制方法能够有效提升移动机器人的避障控制效果。 (4)在上述研究的基础上设计了一种基于STM32的双轮差速移动轮式机器人运动控制系统，搭建了基于激光雷达传感器的轮式移动机器人实验平台，分析了分数阶PID控制应用于轮式移动机器人避障运动的控制效果，验证了分数阶PID控制方法的有效性，实验结果与仿真结果吻合。
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