随着机器人技术的发展,移动机器人已在医疗服务、餐饮行业、物流运输等领域得到应用。如何实现移动机器人精准、稳定的轨迹跟踪一直以来都是行业亟待解决的关键问题。本研究以某小型轮式移动机器人底盘为对象,针对轨迹跟踪精度不高的问题,对底盘软硬件架构和轨迹跟踪控制器展开研究,来实现精准、稳定的规划跟踪。将横向位姿和纵向速度进行解耦,基于最优前馈LQR理论并加入不足转向补偿对横向位姿控制器进行设计,基于PID理论对纵向分层式速度控制器进行设计,分别设计多种工况验证了控制器的可行性。本文主要开展工作如下:第一,轮式移动机器人底盘系统及数学建模介绍。对机器人底盘的轮式结构、导航方式和驱动方式进行对比,根据作业场景需求选择底盘类型,并对机器人底盘构成及子系统功能进行分析。为简化控制器设计,建立了包括机器人动力学模型和轮胎模型在内的数学模型。第二,横向位姿控制器设计。本研究采用最优前馈LQR控制器,包括位姿补偿模块、最优LQR反馈计算模块和前馈计算模块。考虑到最优前馈LQR控制器会产生较大的横向偏差,在最优前馈LQR控制器的基础上增加了不足转向补偿模块,形成了基于最优前馈LQR加入不足转向补偿设计的横向控制器。在3种速度下开展仿真分析来评估控制器的效果。结果表明,加入不足转向补偿设计的最优前馈LQR控制器具有更高的跟踪精度。第三,纵向速度控制器设计。基于纵向分层式控制方法,利用PID控制理论建立上层控制器,对机器人底盘理想的加速度进行求解。通过设计查表模块和模式仲裁构成下层控制器,下层控制器根据上层控制器输入的加速度信号和机器人底盘反馈的实际速度信号输出转矩占空比或制动压力信号并进行决策。考虑跟踪理想阶跃变化和正弦变化速度曲线两种工况,对纵向速度控制器进行仿真评估。结果表明,机器人底盘实现了对规划速度的稳定跟踪。第四,轨迹跟踪控制器仿真验证与实车试验。将横向位姿控制器和纵向速度控制器耦合在一起,构成轨迹跟踪控制器。利用Car Sim和MATLAB/Simulink设计了3种速度下的双移线工况对控制器性能进行了仿真分析。仿真结果表明,轨迹跟踪控制器在设计的工况下具备良好的轨迹跟踪效果。搭建实车验证平台,基于平台软硬件架构,在封闭园区工况和结构化道路进行测试,进一步验证了本文设计的轨迹跟踪控制器的稳定性和有效性。