本文關(guān)鍵詞：小型履帶式移動機(jī)器人遙自主導(dǎo)航控制技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：履帶式移動機(jī)器人由于接地壓強(qiáng)小、附著力大、越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)成為軍用機(jī)器人的首選,小型履帶式遙控機(jī)器人質(zhì)量輕、便于攜帶,通常用于城市街巷、建筑物內(nèi)等復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境。為了解決機(jī)器人丟失遙控信號后失控的問題,人們加大了自主軍用機(jī)器人的研發(fā)力度,但由于機(jī)器人作戰(zhàn)環(huán)境的未知性、動態(tài)性,在目前相關(guān)技術(shù)水平下,實(shí)現(xiàn)全自主導(dǎo)航難度較大,因此遙自主導(dǎo)航控制方式在未來相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)仍占有重要地位。伴隨傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,自主導(dǎo)航技術(shù)日臻完善,但是由于小型移動平臺體積小、供電能力有限,在傳感器選型和控制器運(yùn)算能力等方面都受到限制,因此小型移動機(jī)器人的自主導(dǎo)航仍存在許多亟待解決的難題。本文結(jié)合總裝“十二五”預(yù)研項(xiàng)目,針對機(jī)器人遙控信號丟失后自主返航至可遙控區(qū)域的需求,研究小型履帶式移動機(jī)器人遙自主導(dǎo)航控制技術(shù),主要包括以下研究工作:針對履帶式移動機(jī)器人的移動方式進(jìn)行受力分析,根據(jù)牛頓歐拉方程建立動力學(xué)模型,確定機(jī)器人轉(zhuǎn)向阻力與電機(jī)驅(qū)動力之間的關(guān)系。為了直觀地分析履帶式移動機(jī)器人的動態(tài)性能,在動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上,建立履帶式移動機(jī)器人虛擬樣機(jī)。通過虛擬樣機(jī)仿真對機(jī)器人動態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測,從而為遙自主導(dǎo)航控制的底層控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及硬件設(shè)備選型提供指導(dǎo)。設(shè)計(jì)了小型履帶式移動機(jī)器人遙自主導(dǎo)航控制系統(tǒng),解決遙控信號中斷后機(jī)器人如何自主返航的問題。由于小型移動機(jī)器人受自身?xiàng)l件的限制,合理選擇了傳感器及驅(qū)動設(shè)備,建立了感知、定位和控制模塊相結(jié)合的結(jié)構(gòu)體系。將控制系統(tǒng)分為上層決策控制和底層電機(jī)控制兩部分,并采用自下而上的方法對這兩部分進(jìn)行研究。為了解決機(jī)器人遙自主導(dǎo)航過程中定位的問題,針對履帶滑移所引起的非系統(tǒng)定位誤差,在運(yùn)動學(xué)模型中引入可以描述滑移效應(yīng)的系數(shù),建立了滑移運(yùn)動學(xué)模型�；葡禂�(shù)的時(shí)變性導(dǎo)致滑移運(yùn)動學(xué)模型在定位及控制中無法直接使用,因此提出了一種滑移運(yùn)動學(xué)參數(shù)辨識方法。通過離線試驗(yàn)測量的方法獲得機(jī)器人在同一路面、不同速度下的滑移系數(shù),并建立模糊規(guī)則庫,設(shè)計(jì)模糊控制器,將其應(yīng)用到移動機(jī)器人航跡推算及運(yùn)動控制中,在線獲得不同前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度下的滑移系數(shù),實(shí)時(shí)修正運(yùn)動學(xué)模型。針對模糊控制器自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力差的缺點(diǎn),加入慣性導(dǎo)航單元,將里程計(jì)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,進(jìn)一步提高定位精度。為了驗(yàn)證滑移運(yùn)動學(xué)模型的定位精度,提出基于路標(biāo)的全局定位方法,利用激光雷達(dá)的掃描數(shù)據(jù)以及機(jī)器人與路標(biāo)之間的幾何關(guān)系確定機(jī)器人運(yùn)動軌跡。針對機(jī)器人自主導(dǎo)航過程路徑規(guī)劃問題,提出啟發(fā)式搜索路徑規(guī)劃方法,設(shè)計(jì)機(jī)器人安全性最高和效率最高兩種搜索準(zhǔn)則,通過求解評價(jià)函數(shù)f的最大值和最小值來確定機(jī)器人的行駛路徑。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人準(zhǔn)確跟蹤路徑規(guī)劃提供的目標(biāo)序列點(diǎn),提出基于螺旋理論的矢量跟蹤方法,考慮履帶式移動機(jī)器人的機(jī)械約束以及控制器的運(yùn)算能力,設(shè)計(jì)了基于行為判斷的路徑跟蹤控制算法,該算法可執(zhí)行性高,滿足小型移動平臺控制的實(shí)時(shí)性要求�？紤]到移動機(jī)器人在運(yùn)動過程中可能遇到障礙物的情況,采用基于激光雷達(dá)探測的自主避障方法提高跟蹤控制系統(tǒng)的可靠性。為驗(yàn)證本文所提出遙自主導(dǎo)航控制方案,選用sb RIO 9626作為上層控制器,使用Labviwe編寫包括遙自主模式判別、遙控模式下局部環(huán)境信息處理、基于滑移運(yùn)動學(xué)模型的航跡推算定位算法、路徑跟蹤控制算法及自主避障算法在內(nèi)的控制程序,并在樣機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的遙自主控制方案可行,滿足系統(tǒng)響應(yīng)快、實(shí)時(shí)性高的要求。
【關(guān)鍵詞】：履帶式移動機(jī)器人 虛擬樣機(jī) 遙自主 運(yùn)動控制 路徑跟蹤
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-31
• 1.1 本文選題背景及意義13-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-27
• 1.2.1 移動機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀15-20
• 1.2.2 移動機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀20-21
• 1.2.3 履帶式移動機(jī)器人導(dǎo)航控制技術(shù)研究現(xiàn)狀21-27
• 1.3 本文主要內(nèi)容安排27-31
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容27-29
• 1.3.2 論文章節(jié)安排29-31
• 第2章 動力學(xué)分析與仿真31-48
• 2.1 概述31
• 2.2 原理樣機(jī)組成31-33
• 2.3 動力學(xué)分析33-37
• 2.3.1 直線動力學(xué)分析33-34
• 2.3.2 轉(zhuǎn)向動力學(xué)分析34-37
• 2.4 虛擬樣機(jī)建模37-41
• 2.4.1 機(jī)械系統(tǒng)模型37-39
• 2.4.2 控制系統(tǒng)模型39-40
• 2.4.3 機(jī)械-控制系統(tǒng)聯(lián)合模型40-41
• 2.5 虛擬樣機(jī)仿真41-46
• 2.5.1 電機(jī)參數(shù)測試試驗(yàn)41-43
• 2.5.2 仿真分析43-46
• 2.6 本章小結(jié)46-48
• 第3章 遙自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)48-55
• 3.1 概述48
• 3.2 遙自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)48-52
• 3.3 遙自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)軟件52-54
• 3.3.1 遙控操作協(xié)議52-53
• 3.3.2 遙自主模式轉(zhuǎn)換53-54
• 3.4 本章小結(jié)54-55
• 第4章 滑移運(yùn)動學(xué)模型及參數(shù)辨識方法55-76
• 4.1 概述55-56
• 4.2 滑移運(yùn)動學(xué)模型56-58
• 4.3 移動機(jī)器人航跡推算定位58-60
• 4.4 滑移系數(shù)辨識60-66
• 4.4.1 定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)參數(shù)辨識61-64
• 4.4.2 耦合作用下參數(shù)辨識64-66
• 4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證66-74
• 4.5.1 參數(shù)辨識試驗(yàn)66-67
• 4.5.2 模糊控制器設(shè)計(jì)67-69
• 4.5.3 基于激光雷達(dá)的全局路標(biāo)定位69-72
• 4.5.4 基于滑移運(yùn)動學(xué)模型的定位試驗(yàn)72-74
• 4.6 本章小結(jié)74-76
• 第5章 路徑規(guī)劃與跟蹤控制方法76-103
• 5.1 概述76-77
• 5.2 路徑規(guī)劃方法77-83
• 5.2.1 啟發(fā)式搜索算法77-80
• 5.2.2 路徑規(guī)劃仿真80-83
• 5.3 路徑跟蹤方法83-89
• 5.3.1 路徑跟蹤誤差模型83-86
• 5.3.2 基于螺旋理論的矢量路徑跟蹤方法86-89
• 5.4 跟蹤控制律設(shè)計(jì)89-98
• 5.4.1 跟蹤控制律模型89-93
• 5.4.2 路徑跟蹤仿真93-98
• 5.5 遙自主導(dǎo)航控制試驗(yàn)98-102
• 5.5.1 安全返航試驗(yàn)98-101
• 5.5.2 高效返航試驗(yàn)101-102
• 5.6 本章小結(jié)102-103
• 第6章 自主避障控制策略103-114
• 6.1 概述103
• 6.2 激光雷達(dá)數(shù)學(xué)模型103-106
• 6.3 自主避障控制方法106-109
• 6.3.1 機(jī)器人可行方向106-107
• 6.3.2 機(jī)器人可行角度107-109
• 6.3.3 角速度控制律109
• 6.3.4 線速度控制律109
• 6.4 實(shí)時(shí)避障仿真109-111
• 6.5 自主避障試驗(yàn)111-113
• 6.6 本章小結(jié)113-114
• 結(jié)論與展望114-117
• 參考文獻(xiàn)117-126
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單126-127
• 致謝127-128
• 作者簡介128

  本文關(guān)鍵詞：小型履帶式移動機(jī)器人遙自主導(dǎo)航控制技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：329378