四舵輪移動機器人具有良好的適應(yīng)性和機動性。本書以工業(yè)場景下運行四舵輪移動機器人為研究對象，重點研究了動力學(xué)/運動學(xué)模型的多模式異步切換，提高了運行的靈活性；進一步，研究分?jǐn)?shù)階的自主避障跟蹤方法，實現(xiàn)高動態(tài)場景運行的適應(yīng)性；同時，在保障運行方面，通過參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整并對擾動進行估計和補償，提高了運行的魯棒性和穩(wěn)定性；在設(shè)備檢測方面，實現(xiàn)了車輛故障的自動檢測，并設(shè)計了容缺的控制方法；*后，在集成的四舵輪移動機器人上，考慮了定位不確定性，設(shè)計了動態(tài)補償?shù)耐？糠桨�，實現(xiàn)精準(zhǔn)�？�，滿足上下料要求。本書的定位為機械、自動化及相關(guān)專業(yè)的本科高年級以上水平讀者易讀懂、用得上的參考書,主要讀者對象為在讀研究生、高校教師及科研人員

本書以工業(yè)場景下運行四舵輪移動機器人為研究對象，重點研究了動力學(xué)/運動學(xué)模型的多模式異步切換，提高了運行的靈活性；進一步研究分?jǐn)?shù)階的自主避障跟蹤方法，實現(xiàn)高動態(tài)場景運行的適應(yīng)性；同時，在保障運行方面，通過參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整并對擾動進行估計和補償，提高了運行的魯棒性和穩(wěn)定性；在設(shè)備檢測方面，實現(xiàn)了車輛故障的自動檢測，并設(shè)計了容缺的控制方法；*后，在集成的四舵輪移動機器人上，考慮了定位不確定性，設(shè)計了動態(tài)補償?shù)耐？糠桨福瑢崿F(xiàn)精準(zhǔn)�？浚瑵M足上下料要求。

智能制造是世界各大國發(fā)展先進制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略性制高點，為我國從制造大國跨越成為制造強國提供了開道超車、跨越發(fā)展的重大歷史機遇。移動機器人技術(shù)作為智能制造的重要賦能技術(shù)，能夠降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，廣泛應(yīng)用于人機協(xié)作、無人工廠乃至國防科技等領(lǐng)域，是智能制造業(yè)的重要支柱。其技術(shù)發(fā)展水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志，具有重要的戰(zhàn)略意義。目前，移動機器人普遍采用雙驅(qū)差速輪和四驅(qū)麥輪（麥克納姆輪）等驅(qū)動方式，其中雙驅(qū)差速輪無法斜行，當(dāng)物流停靠站點密集時需反復(fù)繞圈轉(zhuǎn)向，運行速度低，效率低；而四驅(qū)麥輪與地面接觸面積的非均勻變化易導(dǎo)致機器人振動，平穩(wěn)性以及地面適應(yīng)性差，難以滿足智能制造場合高速移動、頻繁啟停的高性能運行需求。有鑒于此，本書針對智能制造領(lǐng)域中的運載操作一體化運行需求，提出四輪獨立驅(qū)動、四輪全轉(zhuǎn)向的輪轂電機冗余驅(qū)動方式，其在靈活性、承載能力、環(huán)境適應(yīng)性等方面具有明顯優(yōu)勢。從四輪轉(zhuǎn)角分配分析，移動機器人可配置在原點回轉(zhuǎn)、斜行以及可調(diào)節(jié)式阿克曼等模式。各模式差異化動態(tài)特性，一方面可避開奇異位形與障礙物，提高機器人對復(fù)雜動態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性和運動靈活性；另一方面為多模式自適應(yīng)切換提供可能，以期達到改善控制精度的目的。本書以四舵輪移動機器人為研究對象，主要包括9章內(nèi)容，為智能制造、移動機器人、控制理論及應(yīng)用等領(lǐng)域的技術(shù)人員和專家學(xué)者提供必要的參考。第1章是移動機器人概述，使讀者對移動機器人特別是四舵輪移動機器人系統(tǒng)有基本的了解。第2章主要介紹了四舵輪移動機器人的運動學(xué)和動力學(xué)模型，為后續(xù)運動控制器的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。第3章和第4章分別基于運動學(xué)和動力學(xué)兩個方面對四舵輪移動機器人進行了多模式異步切換控制器的設(shè)計。第5章至第9章主要介紹了四舵輪移動機器人避障跟蹤控制、增益自調(diào)整魯棒控制、擾動自補償解耦控制、分布式力矩容錯分配和�？空`差迭代自補償?shù)�，同時還列舉了四舵輪移動機器人的典型應(yīng)用案例。本書是作者團隊在移動機器人和機器人無人技術(shù)方面取得的成果總結(jié)，可作為有志于開發(fā)移動機器人在物流、移動加工、物料運輸?shù)刃袠I(yè)中的應(yīng)用的技術(shù)人員的參考書，也可幫助對移動機器人感興趣的讀者快速入門，加深其對移動機器人運動過程的理解，還可供從事移動機器人通用技術(shù)的研究者參考。本書由華中科技大學(xué)謝遠龍、王書亭和武漢紡織大學(xué)蔣立泉共同撰寫。此外，本書的出版還得到了張鴻洋、王宇翔、程祥等的支持與幫助，在此一并表示衷心的感謝。由于作者水平有限，書中可能存在不妥之處，敬請各位專家、讀者批評指正。謝遠龍 王書亭 蔣立泉2022年12月

謝遠龍，博士，籍貫江西贛州，華中科技大學(xué)機械學(xué)院講師、碩士生導(dǎo)師。2014年6月獲得華中科技大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)學(xué)士學(xué)位。2018年12月獲得華中科技大學(xué)機械電子工程專業(yè)博士學(xué)位。2017年11月至2018年4月受學(xué)校資助在英國利茲大學(xué)進行交流訪問。2018年12月至2021年8月在本院國家企業(yè)信息化支撐軟件工程技術(shù)研究中心開展博士后工作。主要研究方向包括智能控制、移動機器人、智能制造和自主無人系統(tǒng)等領(lǐng)域。近五年以來，在IEEE TIE, IEEE TIM, IEEE-ASME TMECH, RCIM, ACC, AIM, CCC等期刊/會議發(fā)表SCI/EI 論文90余篇（其中一作/通訊作者發(fā)表SCI論文25篇，SCIE高被引論文1篇，權(quán)威期刊封面論文1篇），合著專著1本，申請/授權(quán)發(fā)明專利45項。

1移動機器人概述(1)



1.1引言(1)



1.2移動機器人定義(1)



1.3移動機器人的傳感器(6)



1.3.1移動機器人常用傳感器分類(6)



1.3.2常用傳感器介紹(6)



1.4移動機器人的應(yīng)用場景(9)



參考文獻(13)



2四舵輪移動機器人運動學(xué)和動力學(xué)模型(16)



2.1概述(16)



2.2四舵輪移動機器人平臺模型(17)



2.3移動機器人運動學(xué)建模(19)



2.4移動機器人動力學(xué)建模(20)



參考文獻(21)



3基于運動學(xué)的多模式異步切換控制(23)



3.1問題描述(23)



3.2統(tǒng)一無顫振積分滑模控制方法(23)



3.3多模式匹配異步切換控制(28)



3.3.1多模式層級異步切換監(jiān)督判據(jù)(28)



3.3.2多模式層級異步切換邏輯準(zhǔn)則(29)



3.3.3穩(wěn)定性和收斂性證明(31)



3.4效果分析(34)



參考文獻(42)



4基于動力學(xué)的多模式異步切換控制(45)



4.1問題描述(45)



4.2基于狀態(tài)觀測器的切換信號采樣機制(45)



4.2.1延時環(huán)境下多模式異步切換模型(45)



4.2.2切換系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)觀測器設(shè)計(47)



4.2.3離散時間切換信號采樣機制(48)



4.3采用外部信號的時變延時估計(49)



4.3.1外部信號辨識性分析(49)



4.3.2基于高階滑模的無偏延時估計(51)



4.4多模式異步切換控制器設(shè)計(53)



4.4.1延時的異步切換控制器分段設(shè)計(53)



4.4.2多模式異步切換過程穩(wěn)定性分析(54)



4.5效果分析(60)



4.5.1時變延時的結(jié)果估計(60)



4.5.2多模式異步切換仿真測試(61)



參考文獻(65)



5分?jǐn)?shù)階自主避障跟蹤控制(67)



5.1問題描述(67)



5.2分?jǐn)?shù)階耦合滑�？刂破髟O(shè)計(67)



5.2.1分?jǐn)?shù)階微積分理論(67)



5.2.2分?jǐn)?shù)階耦合滑�？刂坡稍O(shè)計(71)



5.2.3分?jǐn)?shù)階耦合滑模控制參數(shù)整定(73)



5.2.4與現(xiàn)有控制方法比較(74)



5.3基于斥力場避障跟蹤控制器設(shè)計(74)



5.3.1基于斥力場的避障軌跡生成(74)



5.3.2穩(wěn)定性和收斂性證明(76)



5.4效果分析(81)



參考文獻(87)



6增益自調(diào)整魯棒控制(89)



6.1問題描述(89)



6.2超螺旋耦合滑�？刂破髟O(shè)計(89)



6.2.1考慮時變擾動的復(fù)合滑模面構(gòu)建(89)



6.2.2變增益超螺旋滑�？刂破髟O(shè)計(90)



6.2.3變增益超螺旋滑�？刂破骺箶_分析(96)



6.3非線性模型預(yù)測的控制器設(shè)計(97)



6.4分層控制器設(shè)計(98)



6.4.1集成控制器設(shè)計(98)



6.4.2控制參數(shù)選擇(99)



6.5效果分析(100)



參考文獻(103)



7擾動自補償解耦控制(105)



7.1問題描述(105)



7.2動力學(xué)模型解耦(105)



7.2.1逆系統(tǒng)解耦的存在性條件(105)



7.2.2四舵輪移動機器人橫向動力學(xué)模型逆系統(tǒng)解耦(107)



7.3多層模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的擾動估計(109)



7.4自補償擾動控制器設(shè)計(111)



7.4.1分?jǐn)?shù)階滑模面構(gòu)建(111)



7.4.2超螺旋滑模控制器設(shè)計(111)



7.4.3擾動自補償集成控制方案設(shè)計(113)



7.5效果分析(114)



7.5.1逆系統(tǒng)解耦測試(114)



7.5.2自補償擾動抑制仿真測試(114)



參考文獻(118)



8分布式力矩容錯分配(120)



8.1問題描述(120)



8.2執(zhí)行器驅(qū)動故障模型(120)



8.3基于模型預(yù)測控制的力矩分配(121)



8.4效果分析(124)



參考文獻(129)



9�？空`差迭代自補償(132)



9.1問題描述(132)



9.2手眼一體化位姿測量(132)



9.2.1目標(biāo)姿態(tài)測量(134)



9.2.2相對姿態(tài)計算(135)



9.2.3停靠誤差計算(136)



9.3�？空`差離線預(yù)處理(136)



9.4基于迭代學(xué)習(xí)的誤差補償(138)



9.5效果分析(140)



9.5.1�？空`差測量(141)



9.5.2�？空`差離線預(yù)處理(142)



9.5.3�？空`差迭代自補償(144)



參考文獻(148)