随着科学技术领域及产业的不断扩展,智能机器人已成为目前研究的重要内容之一。在诸多类型的智能机器人当中,轮式移动机器人因其具有良好的运动性能和避障能力等,应用场景越来越广泛。然而因其本身具有非完整约束的特点,加之在复杂环境中容易受到诸多不确定因素的影响,所以它的运动将表现出更大的复杂性,其运动控制也将具有一定挑战性。因此,对非完整约束状态下的轮式机器人系统的动力学建模和动态仿真模拟及其控制问题的研究具有非常重要的现实意义。本文主要从以下几个方面展开深入研究:(1)分别介绍国内外非完整系统动力学和轮式机器人的研究现状。又进一步介绍轮式机器人的基本构造和特点及其建模方法和基础理论。主要包括牛顿矢量力学系统和以拉格朗日方程为代表的分析力学系统。其中分析力学体系中的Routh方程和高斯原理是处理动力学问题的常用方法,能够较方便的处理复杂多刚体系统动力学及控制问题。(2)采用非完整力学常用方法Routh方程建立了轮式机器人的运动学和动力学模型。基于无侧滑状态建立系统的动力学方程并模拟,能直观地看出系统运动的不确定性。其次考虑驱动力矩不对称时系统会发生侧滑现象,给出前轮侧滑的非光滑约束条件和临界状态,探寻临界状态不同摩擦系数下驱动力矩可达到的最大不均衡程度。最后对侧滑临界状态再次进行动力学仿真模拟。比较发现,机器人系统发生侧向运动的轻易程度不仅与轮-地摩擦系数有关,还与驱动力矩不均衡程度有关。驱动力矩不均衡程度较大时,系统会发生较大的偏转和滑移,并引起动力学参数发生大幅度波动,包括加速度、速度和位移等。(3)分析发现:运用传统Routh方程进行动力学模拟过程中针对某些特定位置会出现奇异问题。引入与自由度数目相一致的准坐标系统,利用高斯原理推导了适用于完整及非完整系统的准坐标形式的动力学方程。利用该组方程,对非完整约束轮式机器人再次进行动力学建模和仿真,结果可有效避免奇异性问题且在计算速度及精度上有明显的优越性。(4)为进一步获得系统运动的更高精度和准确性,本文最后又针对基于系统动力学模型的轨迹跟踪优化控制进行研究。结合反演控制理论和Lyapunov函数设计引入虚拟控制输入的动力学控制器,考虑有无输入信号干扰时的轨迹跟踪对比和误差分析,通过系统仿真证明控制的有效性和重要性。