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研究生:謝世民
論文名稱:輪式行動機人非線性控制
論文名稱(外文):Nonlinear Control of Wheeled Mobile Robots
指導教授:蔡清池
指導教授(外文):Ching-Chih Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立中興大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:74
中文關鍵詞:輪式行動機人
外文關鍵詞:Wheeled Mobile Robots
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摘要
本論文旨在發展輪式行動機器人之非線性姿態調整與時變參考軌跡追蹤控制方法學。利用全域可反矩陣轉換,本文提出非線性時變調整與追蹤控制器,以Lyapunov穩定性理論分析証明其閉迴路為一全域漸近穩定。為簡化設計與提高性能,本文再提出另一種全域座標變換方式,繼而研發全域指數穩定調整與追蹤控制法則,此控制器經Lyapunov穩定性理論分析可証明為一全域指數穩定。標準倒逆步技術被用以設計含動態效應之輪式行動機器人之非線性時變調整與追蹤控制,此種型式控制器由Lyapunov穩定性理論分析証明其閉迴路為全域指數穩定。電腦模擬結果說明本文所提出之各種控制法則為有效且可行的。

ABSTRACT
This thesis presents methodologies for modified nonlinear, time-varying control for the pose regulation and tracking of the wheeled mobile robots. Utilizing a global invertible transformation, both nonlinear, time-varying regulation and tracking controllers are proposed, and their closed-loop globally asymptotic stabilities are proven based on the well-known Lyapunov stability theory. A unified globally, exponentially stable controller for the regulation and tracking problems is then developed, based on another global invertible transformation. Such a controller is proven capable of global exponential stability using the Lyapunov stability analysis. To cope with the dynamic effects of the robots, a standard backstepping technique is adopted to design a nonlinear, time-varying regulation and trackiing controller. This type of controller is also shown to have its closed-loop global exponential stability. Several computer simulation results are used for illustrations of effectiveness and feasibility of the proposed control methods.

目錄
中文摘要..........................i                         
英文摘要..........................ii
誌謝............................iii
目錄............................iv
圖表目錄......................... v
符號說明..........................ix
第一章 緒 論....................... 1
1.1前言...................... 1
1.2研究動機與目標................. 1
1.3文獻回顧.................... 2
1.4論文主要貢獻.................. 3
1.5論文大綱.................... 5
第二章 非線性時變調整控制器與追蹤控制器之設計及穩定性分析. 6
2.1運動學模型.................... 6
2.2調整問題.................... 7
2.2.1開迴路調整誤差系統............. 7
2.2.2調整控制器設計.............. 9
2.2.3穩定性分析................. 10
2.3追蹤問題.................... 13
2.3.1開迴路追蹤誤差系統.............14
2.3.2追蹤控制器設計.............. 15
2.3.3穩定性分析.................15
2.4電腦模擬與討論.................. 18
第三章 非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器之設計及穩定性分析........................29
3.1模型轉換與開迴路誤差系統............ 30
3.2非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器之設計.. 33
3.3非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器之閉迴路誤差
系統...................... 35
3.4穩定性分析................... 36
3.5電腦模擬與討論.................. 40
第四章非線性動態倒逆步調整與追蹤控制器設計及穩定性分析.. 49
4.1動態模型.................... 49
4.2控制器之設計.................. 50
4.3閉迴路誤差系統................. 51
4.4穩定性分析................... 53
4.5電腦模擬與討論.................. 61
第五章結論與建議..................... 68
5.1結論...................... 68
5.2建議...................... 69
參考文獻......................... 70
附錄........................... 73
圖表目錄
圖2.1 輪式行動機器人................... 7
圖2.2 座標轉換...................... 8
圖2.3 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統SIMULINK方塊圖 20
圖2.4 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統輔助誤差信號電腦模
擬圖........................ 20
圖2.5 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖....................... 21
圖2.6 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統輔助誤差信號電腦模
擬圖....................... 21
圖2.7 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖....................... 22
圖2.8 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖....................... 22
圖2.9 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖....................... 23
圖2.10 非線性調整控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖....................... 23
圖2.11 非線性追蹤控制器閉迴路誤差控制系統SIMULINK方塊圖 24
圖2.12 非線性追蹤控制器閉迴路誤差控制系統輔助誤差信號電腦
模擬圖....................... 24
圖2.13 非線性追蹤控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖........................25
圖2.14 非線性追蹤控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖........................25
圖2.15 非線性追蹤控制器閉迴路誤差控制系統追蹤控制誤差電腦模
擬圖........................26
圖2.16輪式行動機器人想要追蹤之參考軌跡圓形圖.......26
圖2.17輪式行動機器人追蹤一圓形參考軌跡時,實際位置電腦模
擬圖........................27
圖2.18輪式行動機器人想要追蹤之參考軌跡圓形圖.......27
圖2.19輪式行動機器人追蹤一圓形參考軌跡時,實際位置電腦模
擬圖........................28
圖2.20輪式行動機器人追蹤一直線參考軌跡時,實際位置電腦模
擬圖........................28
圖3.1 非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器閉迴路誤差控制系
統SIMULINK方塊圖.................42
圖3.2 圖3.1之子系統1 SIMULINK方塊圖.......... 42
圖3.3 圖3.1之子系統2 SIMULINK方塊圖.......... 43
圖3.4 圖3.1之子系統3 SIMULINK方塊圖.......... 43
圖3.5 圖3.1之子系統4 SIMULINK方塊圖.......... 43
圖3.6 圖3.1之子系統5 SIMULINK方塊圖.......... 44
圖3.7 非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器閉迴路誤差控制
系統輔助誤差變數電腦模擬圖............. 44
圖3.8 非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器閉迴路誤差控制
系統追蹤控制誤差電腦模擬圖............. 45
圖3.9 非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器閉迴路誤差控制
系統輔助誤差變數電腦模擬圖............. 45
圖3.10非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器閉迴路誤差控制
系統追蹤控制誤差電腦模擬圖............. 46
圖3.11非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器閉迴路誤差控制
系統輔助誤差變數電腦模擬圖............. 46
圖3.12非線性時變調整與追蹤全域指數穩定控制器閉迴路誤差控制
系統輔助誤差變數電腦模擬圖............. 47
圖3.13輪式行動機器人想要追蹤之參考軌跡圓形圖........ 47
圖3.14輪式行動機器人追蹤一圓形參考軌跡時,實際位置電腦模
擬圖........................48
圖3.15輪式行動機器人追蹤一直線參考軌跡時,實際位置電腦模
擬圖........................48
圖4.1 非線性動態倒逆步調整與追蹤控制器閉迴路誤差控制系統
SIMULINK方塊圖................. 63
圖4.2 圖4.1之子系統1 SIMULINK方塊圖......... 63
圖4.3 圖4.1之子系統2 SIMULINK方塊圖......... 64
圖4.4 圖4.1之子系統3 SIMULINK方塊圖......... 64
圖4.5 圖4.1之子系統4 SIMULINK方塊圖......... 64
圖4.6 圖4.1之子系統5 SIMULINK方塊圖......... 65圖4.7 圖4.1之子系統6 SIMULINK方塊圖......... 65
圖4.8 圖4.1之子系統7 SIMULINK方塊圖......... 65圖4.9 非線性動態倒逆步調整與追蹤控制器閉迴路誤差控制系
統追蹤控制誤差電腦模擬圖.............66
圖4.10 非線性動態倒逆步調整與追蹤控制器閉迴路誤差控制系
統輔助誤差變數電腦模擬圖.............66
圖4.11 非線性動態倒逆步調整與追蹤控制器閉迴路誤差控制系
統追蹤控制誤差電腦模擬圖.............67
圖4.12 非線性動態倒逆步調整與追蹤控制器閉迴路誤差控制系
統輔助誤差變數電腦模擬圖.............67

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