四舵輪移動機器人運動控制-基本原理與應用 謝遠龍 王書亭 蔣立泉 9787568093040 【台灣高等教育出版社】

編輯推薦
本書以工業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/運動學模型的多模式非同步切換，提高了運行的靈活性；進一步研究分數階的自主避障跟蹤方法，實現高動態場景運行的適應性；同時，在保障運行方面，通過參數自適應調整並對擾動進行估計和補償，提高了運行的魯棒性和穩定性；在設備檢測方面，實現了車輛故障的自動檢測，並設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，設計了動態補償的停靠方案，實現精準停靠，滿足上下料要求。

內容簡介
四舵輪移動機器人具有良好的適應性和機動性。本書以工業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/運動學模型的多模式非同步切換，提高了運行的靈活性；進一步，研究分數階的自主避障跟蹤方法，實現高動態場景運行的適應性；同時，在保障運行方面，通過參數自適應調整並對擾動進行估計和補償，提高了運行的魯棒性和穩定性；在設備檢測方面，實現了車輛故障的自動檢測，並設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，設計了動態補償的停靠方案，實現精準停靠，滿足上下料要求。本書的定位為機械、自動化及相關專業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

作者簡介
謝遠龍，博士，籍貫江西贛州，華中科技大學機械學院講師、碩士生導師。2014年6月獲得華中科技大學電氣工程及其自動化專業學士學位。2018年12月獲得華中科技大學機械電子工程專業博士學位。2017年11月至2018年4月受學校資助在英國利茲大學進行交流訪問。2018年12月至2021年8月在本院國家企業信息化支撐軟體工程技術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、智能製造和自主無人系統等領域。近五年以來，在IEEE TIE， IEEE TIM， IEEE-ASME TMECH， RCIM， ACC， AIM， CCC等期刊/會議發表SCI/EI 論文90餘篇（其中一作/通訊作者發表SCI論文25篇，SCIE高被引論文1篇，權威期刊封面論文1篇），合著專著1本，申請/授權發明專利45項。

目錄
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移動機器人的應用場景(9)
參考文獻(13)
2四舵輪移動機器人運動學和動力學模型(16)
2 1概述(16)
2 2四舵輪移動機器人平台模型(17)
2 3移動機器人運動學建模(19)
2 4移動機器人動力學建模(20)
參考文獻(21)
3基於運動學的多模式非同步切換控制(23)
3 1問題描述(23)
3 2統一無顫振積分滑模控制方法(23)
3 3多模式匹配非同步切換控制(28)
3 3 1多模式層級非同步切換監督判據(28)
3 3 2多模式層級非同步切換邏輯準則(29)
3 3 3穩定性和收斂性證明(31)
3 4效果分析(34)
參考文獻(42)
4基於動力學的多模式非同步切換控制(45)
4 1問題描述(45)
4 2基於狀態觀測器的切換信號採樣機制(45)
4 2 1延時環境下多模式非同步切換模型(45)
4 2 2切換系統指數穩定狀態觀測器設計(47)
4 2 3離散時間切換信號採樣機制(48)
4 3採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基於高階滑模的無偏延時估計(51)
4 4多模式非同步切換控制器設計(53)
4 4 1延時的非同步切換控制器分段設計(53)
4 4 2多模式非同步切換過程穩定性分析(54)
4 5效果分析(60)
4 5 1時變延時的結果估計(60)
4 5 2多模式非同步切換模擬測試(61)
參考文獻(65)
5分數階自主避障跟蹤控制(67)
5 1問題描述(67)
5 2分數階耦合滑模控制器設計(67)
5 2 1分數階微積分理論(67)
5 2 2分數階耦合滑模控制律設計(71)
5 2 3分數階耦合滑模控制參數整定(73)
5 2 4與現有控制方法比較(74)
5 3基於斥力場避障跟蹤控制器設計(74)
5 3 1基於斥力場的避障軌跡生成(74)
5 3 2穩定性和收斂性證明(76)
5 4效果分析(81)
參考文獻(87)
6增益自調整魯棒控制(89)
6 1問題描述(89)
6 2超螺旋耦合滑模控制器設計(89)
6 2 1考慮時變擾動的複合滑模面構建(89)
6 2 2變增益超螺旋滑模控制器設計(90)
6 2 3變增益超螺旋滑模控制器抗擾分析(96)
6 3非線性模型預測的控制器設計(97)
6 4分層控制器設計(98)
6 4 1集成控制器設計(98)
6 4 2控制參數選擇(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動力學模型解耦(105)
7 2 1逆系統解耦的存在性條件(105)
7 2 2四舵輪移動機器人橫向動力學模型逆系統解耦(107)
7 3多層模糊神經網絡的擾動估計(109)
7 4自補償擾動控制器設計(111)
7 4 1分數階滑模面構建(111)
7 4 2超螺旋滑模控制器設計(111)
7 4 3擾動自補償集成控制方案設計(113)
7 5效果分析(114)
7 5 1逆系統解耦測試(114)
7 5 2自補償擾動抑制模擬測試(114)
參考文獻(118)
8分散式力矩容錯分配(120)
8 1問題描述(120)
8 2執行器驅動故障模型(120)
8 3基於模型預測控制的力矩分配(121)
8 4效果分析(124)
參考文獻(129)
9停靠誤差迭代自補償(132)
9 1問題描述(132)
9 2手眼一體化位姿測量(132)
9 2 1目標姿態測量(134)
9 2 2相對姿態計算(135)
9 2 3停靠誤差計算(136)
9 3停靠誤差離線預處理(136)
9 4基於迭代學習的誤差補償(138)
9 5效果分析(140)
9 5 1停靠誤差測量(141)
9 5 2停靠誤差離線預處理(142)
9 5 3停靠誤差迭代自補償(144)
參考文獻(148)

精彩書摘
智能製造是世界各大國發展先進位造技術與產業的戰略性制高點，為我國從「製造大國」跨越成為「製造強國」提供了開道超車、跨越發展的重大歷史機遇。移動機器人技術作為智能製造的重要賦能技術，能夠降低生產成本、提高生產效率，廣泛應用於人機協作、無人工廠乃至國防科技等領域，是智能製造業的重要支柱。其技術發展水平是一個國家工業自動化水平的重要標誌，具有重要的戰略意義。
目前，移動機器人普遍採用雙驅差速輪和四驅麥輪（麥克納姆輪）等驅動方式，其中雙驅差速輪無法斜行，當物流停靠站點密集時需反覆繞圈轉向，運行速度低，效率低；而四驅麥輪與地面接觸面積的非均勻變化易導致機器人振動，平穩性以及地面適應性差，難以滿足智能製造場合高速移動、頻繁啟停的高性能運行需求。
有鑒於此，本書針對智能製造領域中的運載操作一體化運行需求，提出四輪獨立驅動、四輪全轉向的輪轂電機冗餘驅動方式，其在靈活性、承載能力、環境適應性等方面具有明顯優勢。從四輪轉角分配分析，移動機器人可配置在原點迴轉、斜行以及可調節式阿克曼等模式。各模式差異化動態特性，一方面可避開奇異位形與障礙物，提高機器人對複雜動態環境的適應性和運動靈活性；另一方面為多模式自適應切換提供可能，以期達到改善控制精度的目的。

前言/序言
智能製造是世界各大國發展先進位造技術與產業的戰略性制高點，為我國從「製造大國」跨越成為「製造強國」提供了開道超車、跨越發展的重大歷史機遇。移動機器人技術作為智能製造的重要賦能技術，能夠降低生產成本、提高生產效率，廣泛應用於人機協作、無人工廠乃至國防科技等領域，是智能製造業的重要支柱。其技術發展水平是一個國家工業自動化水平的重要標誌，具有重要的戰略意義。
目前，移動機器人普遍採用雙驅差速輪和四驅麥輪（麥克納姆輪）等驅動方式，其中雙驅差速輪無法斜行，當物流停靠站點密集時需反覆繞圈轉向，運行速度低，效率低；而四驅麥輪與地面接觸面積的非均勻變化易導致機器人振動，平穩性以及地面適應性差，難以滿足智能製造場合高速移動、頻繁啟停的高性能運行需求。
有鑒於此，本書針對智能製造領域中的運載操作一體化運行需求，提出四輪獨立驅動、四輪全轉向的輪轂電機冗餘驅動方式，其在靈活性、承載能力、環境適應性等方面具有明顯優勢。從四輪轉角分配分析，移動機器人可配置在原點迴轉、斜行以及可調節式阿克曼等模式。各模式差異化動態特性，一方面可避開奇異位形與障礙物，提高機器人對複雜動態環境的適應性和運動靈活性；另一方面為多模式自適應切換提供可能，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章內容，為智能製造、移動機器人、控制理論及應用等領域的技術人員和專家學者提供必要的參考。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和動力學模型，為後續運動控制器的設計奠定基礎。第3章和第4章分別基於運動學和動力學兩個方面對四舵輪移動機器人進行了多模式非同步切換控制器的設計。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、增益自調整魯棒控制、擾動自補償解耦控制、分散式力矩容錯分配和停靠誤差迭代自補償等，同時還列舉了四舵輪移動機器人的典型應用案例。
本書是作者團隊在移動機器人和機器人無人技術方面取得的成果總結，可作為有志於開發移動機器人在物流、移動加工、物料運輸等行業中的應用的技術人員的參考書，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的研究者參考。
本書由華中科技大學謝遠龍、王書亭和武漢紡織大學蔣立泉共同撰寫。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，在此一併表示衷心的感謝。
由於作者水平有限，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