移动机器人并联稳定平台姿态控制研究.pdfVIP

摘要

移动机器人执行任务时易受到地面颠簸干扰而影响自身装载仪器装备的稳定工

作。目前，并联稳定平台能够隔离地面对移动机器人的扰动，保证移动机器人上的仪

器装备能稳定工作。并联稳定平台是一个多输入、多输出、非线性、强耦合的复杂系

统，易受到姿态轴之间的耦合、负载变化及外界干扰影响其工作，因此，开展并联稳

定平台姿态控制研究具有重要理论意义与实际应用价值。

首先，阐述并联稳定平台机械结构及特点，建立并联稳定平台运动学模型，通过

Matlab/Simulink中的库函数SimscapeMultibody搭建平台仿真模型进行仿真分析，仿

真结果表明，设计的并联稳定平台可实现三个自由度运动。

其次，根据所设计并联稳定平台机械结构确立系统控制方案。针对并联稳定平台

姿态控制系统受到多源干扰影响自身稳定的问题，设计基于扩张状态观测器的快速非

奇异终端滑模姿态控制器，并基于Lyapunov稳定性理论对控制器进行稳定性分析。

利用Matlab/Simulink环境搭建姿态控制器仿真模型并与另外三种控制器对比分析，

仿真结果表明，本文设计的姿态控制器使并联稳定平台具有更高的跟踪精度、更快的

响应速度、更强的抗干扰能力。

然后，为进一步提升伺服系统的控制性能，设计基于快速非奇异终端滑模和扩张

状态观测器复合的伺服系统位置控制器。该控制器采用非级联结构替代传统的位置环

和速度环控制器，引入扩张状态观测器来估计系统扰动并将其应用于前馈补偿。根据

Lyapunov定理证明伺服系统位置控制器的稳定性。利用Matlab/Simulink环境搭建控

制系统仿真模型，并将本文算法与其它三种算法进行对比分析，仿真结果表明，本文

设计的控制算法显著提升了电动缸位置跟踪的响应速度和抗干扰性能。

最后，设计并联稳定平台姿态控制器和伺服系统位置控制器的软硬件。装配并联

稳定平台后进行室内外平台性能实验测试。室内测试，包括电动缸位置跟踪性能实验、

并联稳定平台姿态跟踪实验及抗干扰实验。室外测试，通过控制搭载平台的移动机器

人匀速通过测试场地来测试平台稳定性。测试结果表明移动机器人搭载并联稳定平台

在0~15°的测试场地运动，并联稳定平台能够实现俯仰和横滚两个方向稳定精度保

持在±1°以内，因此，并联稳定平台在设计控制器控制下姿态稳定性高。

关键词：并联稳定平台，姿态控制，伺服系统，滑模控制，扩张状态观测器

ResearchonAttitudeControlofParallelStablePlatformof

MobileRobot

Abstract

Whenmobilerobotsperformtasks,theyareeasilydisturbedbybumpsontheground,

whichaffectsthestableoperationoftheirowninstrumentsandequipment.Atpresent,the

parallelstabilizationplatformcanisolatethegroundinterferencefromthemobilerobot

andensurethattheinstrumentsandequipmentonthemobilerobotcanworkstably.The

parallelstableplatformisacomplexsystemwithmultipleinputs,multipleoutputs,

nonlinearityandstrongcoupling.Itiseasilyaffectedbythecouplingbetweenattitudeaxes,

loadchangesandexternalinterference.Therefore,itisofgreattheoreticalsignificanceto

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