基于滑模变结构控制的机器人轨迹跟踪及仿真研究(2)
1.1 课题研究的背景以及其意义
随着时代的发展，机器人的诞生和机器人学的建立逐步被证明是20世纪人类科学技术的最伟大成就之一，是当代最高意义上的自动化，机器人的应用也越来越普及。
机器人作为人类的新型生产工具，显示出了极大的优越性。不但能减轻人类的劳动强度，提高生产率，改变生产模式，更把人从危险、恶劣、繁重的工作环境下解放出来。20世纪60年代以来，机械加工、弧焊、点焊、装配、喷涂、检测等各式各样类型的机器人相继出现并迅速在工业生产中投入应用，这大大提高了各种产品的质量，同时也保证了产品的一致性。然而，随着生产力以及生产关系的不断发展，人们渐渐地发现这些固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要。因此自20世纪80年代后期以来，很多国家都有计划地开展了移动机器人技术的研究。
移动机器人的研究开始于60年代斯坦福研究院(SRI)，现在已经是机器人学中的一个非常重要的分支。从阿波罗登月计划中震惊世人的月球车到NASA行星漫游计划中的吹冰轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、无人侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都充分显示出移动机器人正以其不可替代的优越性及广阔的应用前景而成为智能机器人发展的重要方向之一。与那些位置固定的机器人相比，移动机器人工作环境是非结构化的和不确定性的，因而对机器人的性能方面提出了更高的要求。不仅要求机器人能够完成特定的功能，还需要机器人具有行走的能力，对外感知能力以及局部的路径规划能力等。这就需要研究人员在设计机器人时考虑更多的方面，比如环境感知、动态规划、多传感信息融合等。移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合动态智能系统。
目前在军事领域和航空航天领域，迫切地需要具有具有各项特定功能的高度智能化移动机器人。在军事方面用于军事侦察、排雷除险以及无人作战等，既不易被对方发现，具有很好的隐蔽性，又可以减少士兵的伤亡，提高作战的效率。在外太空对行星球表面进行探测时，使用智能移动机器人，不但可以增加探测的可靠性，降低风险，而且可以避免人类登陆的种种困难。
在环保及家庭服务领域移动机器人也具有很大的市场潜力和竞争力，开发出具有较低成本和高智能的自主移动服务机器人，将会给人们的生活带来很大的方便。
1.2 移动机器人的主要研究领域
1) 路径规划：路径规划是给定机器人及其工作环境信息，按照某些优化的指标，寻求有界输入来使系统在规定的时间内从起始点转移到目标点。根据机器人对环境信息知道程度的不同，可以分为两种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或者部分未知，通过传感器在线的对机器人工作环境进行探测，来获取障碍物的形状、位置和尺寸等信息的局部路径规划。
2) 导航与定位：导航与定位是移动机器人研究的两个重要方面。移动机器人的导航方式可以分为：基于各种导航信号的陆标导航、视觉导航和觉导航；基于环境信息的地图模型匹配导航等。
3) 跟踪控制：跟踪控制是移动机器人运动控制的一个重要问题，同时也是一个非常实际的问题。已有的跟踪控制方法在数学上，也就是理论上很完美，但对于设计跟踪控制器来说，并不一定是最好的方法。现下主流的研究集中在考虑非完整约束性和力学的情况下如何实现有效跟踪控制。
4) 反馈镇定：反馈镇定是移动机器人运动控制的闭环策略。由于非完整约束的移动机器人系统是一个欠驱动的非完整的系统，也就是一个无漂移的零动力学系统，所以此类系统也就不能满足纯状态光滑镇定的必要条件，不能采用连续可微的时不变的纯状态反馈律来予以镇定。因此，设计一个反馈镇定律是非常具有挑战性的，也是目前非常热门的研究领域。
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