基于控制Lyapunov函数概念的水面移动机器人系统自主控制方法研究

水面移动机器人是机器人研究领域中的一项新内容，其所具有的强非线性、欠驱动、模型高度不确定等特点使其迅速成为当前自主移动机器人研究的重要内容之一。控制Lyapunov函数（CLF）是在Lyapunov稳定性意义下提出的一个新概念，它的出现为非线性控制器设计提供了一个崭新的思路。本项目拟在前期研究工作的基础上，以水面移动机器人为研究对象，以CLF为主线，设计出具有高可实现性的包括鲁棒跟踪控制功能和轨迹优化产生功能的自主控制方法体系。项目中，首先利用加速度反馈控制能够大大增强闭环系统鲁棒性的特点，将其与CLF概念相结合设计具有强鲁棒性的跟踪控制；随后，利用预测控制能够处理有约束系统的特点，通过将其与CLF概念相结合，把鲁棒跟踪控制问题统一到轨迹优化产生的架构中，一体化地解决水面移动机器人系统的轨迹优化产生与鲁棒跟踪控制问题。本项目所研究方法对于空中、地面、水下移动机器人等也有一定的借鉴意义。

本项目在前期研究工作的基础上，以水面移动机器人为研究对象，以控制Lyapunov函数（CLF）概念为主线，对水面移动机器人系统的自主控制问题进行了较为全面的研究，并研发了水面移动机器人系统，对方法进行了实验验证。具体取得的科研成果包括：1）系统化地研究了加速度反馈控制方法，提出了利用非线性滤波和加速度测量相结合改善扰动和状态测量性能的非线性估计方法；提出了基于输入分配的非线性系统鲁棒控制器设计新方法。2）以控制Lyapunov函数概念为基础，研究了水面移动机器人系统的控制与规划方法，提出了基于控制Lyapunov函数的广义逐点最小范数控制方法；提出了基于跟踪控制Lyapunov函数和滚动时域优化相结合的实时轨迹规划方法，实现了底层控制策略和规划算法的有机结合，解决了规划路径的可行性问题。3）设计开发了新的喷射式水面移动机器人系统，并对部分研究成果进行了实验，验证了算法在实际系统中的有效性，该平台目前已获得863项目的继续支持，拟进一步深入研究面向城市水灾灾难救援的水面移动机器人系统及其自主控制问题。4）以本项目工作成果为基础，项目组成员在国内外知名期刊及会议（包括Journal of Guidance, Navigation and Control， Asian Journal of Control等SCI检索期刊，机械工程学报、系统科学与数学等知名期刊）共发表学术论文11篇，其中SCI检索2篇，EI检索8篇（另有两篇属于EI源但尚未检索）；发表在2011年IEEE-ICIA国际会议上的论文获得了会议最佳论文提名奖；项目组所发表的中文学术专著（移动机器人：建模、估计与控制）也包含本项目部分内容。5）本项目所取得的研究成果虽然是针对水面移动机器人系统，但其中部分成果也适用于空中、地面、水下等其他类型的移动机器人系统，并且部分成果已经在实际机器人系统中获得应用，如：关于加速度反馈控制部分的已经在项目组所在科研团队自行研制的旋翼飞行机器人等系统上获得初步应用。6）本项目共培养博士研究生三人（其中两人已毕业），硕士研究生两人。总的来说，本项目针对水面移动机器人系统的估计、控制与规划问题提供了一钟全新的解决思路，并构建了具有强非线性和不确定性影响下的移动机器人自主控制框架，为在非结构、动态环境下提高移动机器人系统的自主行为能力提供了一条可行的解决方案。