1. 研究目的与意义（文献综述）

随着计算机、机械工程、电子技术和人工智能的发展，机器人技术已经逐渐成熟，现代机器人发展主要包括工业机器人，服务机器人和军事机器人，小车是移动机器人的一种，智能小车发展为现代物流，工业运输及家庭服务等方面带来了新的局面。例如机器人代替了人类在火星采集实验样本，扫雷机器人代替人类扫雷排爆保护了人宝贵的生命，水下机器人实行水下救援和实验工程操作，车间里面的移动机器人帮助人搬运物料节省人力物力，家庭服务移动机器人可以帮助人类清洁地面解放人类双手，机器人的发展改变了人的生活。

轮式移动机器人由于其运动速度快,结构简单,成本相对较低,运载质量大从而的广泛应用。轮式移动机器人输入量是机器人的左右两轮回转量,输出则是机器人的位置和姿势。通过控制其左右驱动轮的回转量,机器人可以实现各个方向的移动和回转，是典型的非完整约束系统。最早的铰接轮式机器人是上世纪60年代美国mit开始研究火星探索多节轮式机器人,当时只能通过遥控的方式来控制小车的运行，有很大的局限性不能满足现代工业及生活之中的应用。

在工业物流领域往往需要运送大量的原材料和工业产品，这就需要运输工具，目前主流运输工具有叉车，无轨小车（agv），有轨小车（rgv）和堆垛机（staker crane）传统叉车运送物资量较少且需要工人频繁劳动，传统拖车需要工人有较高的驾驶技巧才可以避免与其他物资碰撞在工厂厂房不适用，而有轨铰接车虽然可以解决以上问题并且操作易控，但成本太高且占用场地过大并不适合大面积推广。

2. 研究的基本内容与方案

根据老师提供的参考教材学习MATLAB工程软件的基本操作，了解其功能并对其在移动机器人轨迹仿真优化等领域的，掌握MATLAB软件的基本编程方法，具体工作有：利用MATLAB工程软件对铰接轮式小车进行建模，确定其运动轨迹与其自身参数的关系，查找相关资料对铰接轮式小车进行运动学和动力学建模，为和后面小车的轨迹仿真和规划打好基础。完成外文阅读与翻译工作：阅读有关专业文献；外文翻译不少于5000个汉字。

2.1.2建立铰接轮式小车运动学数学模型

铰接轮式小车可以看成是一个带拖车的轮式移动机器人系统,它是由一节有动力牵引车拖挂一系列相互铰接在一起的无动力二轮式刚体拖车组成的,运行在一个平面上。牵引车两个驱动轮采用直流电机传动,通过控制两驱动轮的速度快慢来调节车体前进速度和角速度,可实现位姿的独立控制,达到对移动机器人运动轨迹的平滑控制,之后拖车跟随牵引车移动。我们从铰接轮式小车的结构可以看出其驱动器的数目小于小车系统的自由度因此小车的运动系统是一个典型的非完整、欠驱动系统。

为了使所建立的数学模型对各种车体链接形式均成立,这里以非标准型带拖车的轮式移动机器人系统为研究对象,所谓非标准型就是相邻两车体的链接点不在前一车体的轮轴上而是在链接轴的某点上(如图1所示),且假设:整个系统是在平面上运动;车轮是无滑动的;车体关于其纵向轴线对称;车轮与地面是点接触,且是纯滚动运动;车体是刚体;用于车体连接的关节之间是无摩擦的。

图2.1.1带两节拖车的移动机器人系统

假设小车基本参数如下表

经过推导可得铰接轮式小车的运动学模型，通过输入小车牵引车左右两轮的线速度和初始位姿，来控制各个拖车的位姿变化，进而形成小车轨迹。

2.1.3实现铰接轮式小车的运动轨迹仿真

针对铰接轮式小车的结构特点，通过轨迹生成的控制算法实现拖车系统的位置移动和姿势改变,从而自动将小车停到指定停车位置,同时实现拖挂车对牵引车轨迹的有效跟踪,使系统的轨迹控制能达到更好的性能，避免铰接轮式小车在使用中遇到问题，利用MATLAB软件对铰接轮式小车在前进，倒车时的各种典型路径轨迹等进行仿真。并分析轨迹生成的结果。

图2.1.2实现铰接轮式小车轨迹仿真和运动控制方法流程图

图2.1.3设置相应控制点时轨迹仿真图

2.1.4铰接轮式小车的运动轨迹优化

针对铰接轮式小车的仿真结果对其进行优化分析，比较现有对小车的控制方法，分析其利弊，选择针对铰接轮式小车最合适的方法，利用MATLAB工程软件对小车再不同环境下例如考虑非安全区，考虑小车最小转弯半径等情况对轨迹进行优化。

图2.1.4单个轮式小车时运动仿真优化理想效果图

图2.1.5带一节拖车时轨迹仿真优化理想效果图

2.2拟采用的技术方案

2.2.1铰接轮式小车轨迹优化方案流程图

2.2.2小车轨迹的生成方法

小车轨迹的生成需要考虑以下几个方面

运动轨迹的查找,需要描述它的初始状态和目标状态,在所有生成的可行轨迹。连续路径运动一的实现,这种情况下,不仅要规定机器人通过初始点和目标点,而且要求其运动轨迹是光滑的,不能有瞬时突变。倒车系统有许多不能到达停车位的死区和准死区。当系统处于这些位置时,如何生成可行的泊车轨迹。本文主要讨论带一节拖车的铰接轮式小车的轨迹仿真。

图2.2.1小车停入规定车位示意图

2.3小车轨迹控制优化

带拖车移动机器人主要的控制问题是路径跟踪控制.由于多车体的存在使得这一问题变得十分复杂,特别是倒车跟踪成为这类机器人控制的难点。目前,带拖车移动机器人的路径跟踪控制主要包括3类研究方法: Lyapunov 方法、线性化方法和构造虚拟机器人方法。1) 控制器设计复杂,且很多情况下存在奇异; 2) 有些控制器难以适用于倒车跟踪控制;针对这些问题，本文拟通过重复变换法对铰接轮式小车进行轨迹生成并完成轨迹优化。

图3重复变换法基本流程图

3. 研究计划与安排

为按时完成本次毕业设计，预先对本次毕业论文的进度做以下安排：

总时间安排：2012年2月23日——2012年6月18日（第一周至第十七周）

第1-3 周（2月24日-3月15日）：查阅铰接轮式小车相关文献资料，明确研究内容，整理研究思路。进行相关课题的资料搜索以及规范阅读，相关matlab软件学习，着手进行外文翻译，并撰写开题报告。

4. 参考文献（12篇以上）

4.1教材

[1]马莉编著，《matlab语言实用教程》[m]北京：清华大学出版社，2010

[2]刘剑等编著，《控制系统matlab仿真与应用》[m]北京：机械工业出版社，2017