轮式移动机器人滑转率预测及遥操作技术研究

发布时间：2017-10-11 16:15

  本文关键词：轮式移动机器人滑转率预测及遥操作技术研究

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【摘要】：近年来,随着轮式移动机器人(Wheeled Mobile Robot-WMR)在许多领域起着越来越重要的作用(例如:星球探测、野外灾害救援等),吸引了许多学者对它进行各方面的研究。目前,对于WMR的研究多数是基于车轮纯滚动的理想假设进行的。然而,当WMR行驶在松软地形(比如星球表面)上时,轮地接触表面会产生滑转现象,这会对WMR的运动学模型和动力学模型带来干扰,导致对WMR的遥操作变得极为复杂。因此,有必要针对具有滑转干扰的WMR进行遥操作控制的研究。为了补偿操作者对从端WMR运动状态及环境的感知能力,本文基于开放式动力学引擎Vortex,在前期研究基础上进一步完善了前期所开发的WMR滑转率预测平台——ROSTDyn 1.1。针对WMR在任意工况下的任意运动,完善了轮地接触模型相关参数的解算算法,并引入阻尼项来缓冲法向震动来维持预测系统的稳定性;采用增加解算频率和降低图像刷新频率的策略来进一步提高预测速度和预测精度。预测速度测试结果表明ROSTDyn 1.1能够实现实时仿真;实验结果与预测结果的对比证明了其具有较好的保真度。为了消除由预测模型的局限性以及土壤参数波动导致的滑转率预测误差,本文提出了一个模型参数在线修正方法。通过数据辨识方法消除数据中的异步误差之后,针对最敏感参数,结合动力学预测误差推导了它们的修正模型;同时,为了消除预测模型的非线性,提出了有效系数的概念。采用ROSTDyn 1.1和WMR原理样机进行的仿真和实验验证了本文所提出参数在线修正方法能够快速地消除滑转率的预测误差。针对在松软地形下的WMR双向遥操作问题,本文首先建立了在车轮滑转下的WMR运动学模型;无源性理论分析表明当滑转率导数为负数时,WMR/地形环境端呈现出一定程度的有源性。本文提出了基于TDPC和SOP的补偿策略来补偿环境端的有源性,并采用Llewellyn准则来保证WMR双向遥操作系统的稳定性;同时,提出了三种稳定性设计方法来消除固定通信时延的影响。最后,采用搭建的WMR双向遥操作实验平台进行了实验验证,本文提出的方法能够有效地补偿环境端的有源性以及通信时延的干扰,并产生稳定的WMR双向遥操作系统,且具有较好的位置-速度跟踪性能和力透明性。针对具有转向运动和滑转的WMR双边遥操作问题,建立了受左右两侧车轮滑转影响的WMR运动学模型,基于无源性分析证明了WMR/地形环境端是潜在有源的。设计了具有二维运动的WMR双向遥操作系统,提出了新的环境端有源性补偿算法;采用无源性分析方法保证该系统的稳定性和力透明性。WMR遥操作实验证明本文提出的设计方法在WMR的前进线速度和转向角速度上都能够产生稳定的跟踪性能,且在这两个维度上都能较好的感知环境端力。在高危地形下,当WMR遥操作系统无法获取到足够反馈信息来保证操作性能时,本文基于WMR滑转率预测平台提出了一个新的WMR三向遥操作预测共享控制架构,预测端和从端WMR的线速度和主端机器人的位置通过共享控制策略相互跟踪。预测平台与从端机器人环境端的有源性则分别采用本文提出的SOP补偿策略进行补偿;通过保证该系统的无源性来保证WMR遥操作系统的稳定性;理论分析表明在此架构下,操作者感知到的反馈力大致为预测端与从端之和。通过实验验证了本文所提出的WMR三向遥操作能够产生稳定的控制系统,且明显地提高了操作者对从端环境以及其他信息的感知能力。本文的研究成果为具有滑转的WMR动力学预测及遥操作系统研究提供了研究基础及方案,为我国后续的星球车探测任务提供了参考。
【关键词】：轮式移动机器人 滑转率预测 遥操作 稳定性 透明性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V476;V556
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 绪论15-32
• 1.1 研究目的及意义15-16
• 1.2 WMR遥操作技术研究现状16-29
• 1.2.1 WMR动力学预测及参数辨识研究现状16-19
• 1.2.2 机器人遥操作系统研究现状19-21
• 1.2.3 WMR遥操作系统研究现状21-24
• 1.2.4 遥操作系统时延补偿策略24-26
• 1.2.5 遥操作系统稳定性和透明性研究现状26-29
• 1.3 国内外研究现状对比及存在的挑战29-30
• 1.4 本文的主要研究内容30-32
• 第2章 WMR滑转率预测平台轮地接触算法研究32-48
• 2.1 引言32
• 2.2 前期研究及WMR轮地接触模型介绍32-34
• 2.2.1 前期研究32-33
• 2.2.2 WMR轮地接触模型33-34
• 2.3 WMR滑转率预测平台（ROSTDyn 1.1）关键算法改进34-42
• 2.3.1 轮地接触参数解算模块改进35-38
• 2.3.2 轮地接触力/力矩解算模块改进38-42
• 2.3.3 ROSTDyn 1.1 滑转率预测机制42
• 2.4 ROSTDyn 1.1 预测速度测试42-43
• 2.5 ROSTDyn 1.1 保真度验证43-47
• 2.6 本章小结47-48
• 第3章 提高WMR滑转率预测精度的参数在线修正方法研究48-69
• 3.1 引言48
• 3.2 ROSTDyn 1.1 预测误差种类及异步误差消除方法48-51
• 3.3 提高WMR滑转率预测精度的参数在线修正算法51-60
• 3.3.1 WMR滑转率对模型参数的敏感度分析51-53
• 3.3.2 针对参数φ和K的在线修正算法53-55
• 3.3.3 修正过程中轮地接触模型非线性的补偿算法55-59
• 3.3.4 修正过程中保证修正方法收敛性的约束条件59-60
• 3.4 模型参数在线修正方法的实验验证60-68
• 3.4.1 动力学预测误差对修正方法的影响实验62-64
• 3.4.2 针对固定地形下滑转率的参数修正实验64-66
• 3.4.3 针对随地形参数改变滑转率的参数修正实验66-68
• 3.5 本章小结68-69
• 第4章 考虑车轮滑转的WMR双向遥操作控制算法研究69-103
• 4.1 引言69
• 4.2 考虑车轮滑转的WMR的双向遥操作系统主从端建模69-73
• 4.2.1 考虑车轮滑转的WMR运动学建模69-71
• 4.2.2 仅考虑前进运动的从端机器人建模71-73
• 4.2.3 1DOF主端机器人建模73
• 4.3 从端环境可测的WMR双向遥操作控制算法设计73-77
• 4.3.1 基于TDPC的环境端有源性补偿算法设计74-76
• 4.3.2 WMR双向遥操作控制律设计76-77
• 4.4 从端环境不可测的保守WMR双向遥操作控制算法设计77-80
• 4.4.1 基于SOP的环境端有源性补偿算法设计78
• 4.4.2 WMR双向遥操作控制律设计78-80
• 4.5 WMR遥操作系统的定时延补偿控制算法研究80-88
• 4.5.1 基于Llewellyn准则的时延补偿控制算法81-82
• 4.5.2 基于Llewellyn准则和波变换的时延补偿控制算法82-85
• 4.5.3 基于无源性分析和波变换的时延补偿控制算法85-88
• 4.6 实验验证88-101
• 4.6.1 实验系统搭建88-89
• 4.6.2 基于TDPC的双向遥操作实验验证89-94
• 4.6.3 基于SOP的双向遥操作实验验证94-97
• 4.6.4 WMR双向遥操作定时延补偿算法实验验证97-101
• 4.7 本章小结101-103
• 第5章 转向及滑转综合作用的WMR双向遥操作控制算法研究103-122
• 5.1 引言103
• 5.2 转向及滑转耦合作用的WMR双向遥操作主从端建模103-112
• 5.2.1 转向及滑转耦合作用的WMR运动学建模103-107
• 5.2.2 考虑转向的从端机器人建模107-109
• 5.2.3 2DOF主端机器人建模109-112
• 5.3 转向及滑转耦合的WMR双向遥操作控制算法设计112-118
• 5.3.1 从端环境不可测的有源性保守补偿算法112-114
• 5.3.2 考虑转向的WMR双向遥操作控制律设计114-117
• 5.3.3 定时延对WMR双向遥操作控制律的影响及分析117-118
• 5.4 实验验证118-121
• 5.4.1 实验系统搭建118-119
• 5.4.2 实验结果119-121
• 5.5 本章小结121-122
• 第6章 基于预测平台的WMR三向共享式遥操作控制算法研究122-140
• 6.1 引言122
• 6.2 WMR三向遥操作共享控制策略122-125
• 6.3 WMR三向遥操作控制算法稳定性设计125-128
• 6.4 WMR三向遥操作控制算法力透明性分析128-130
• 6.5 应用于星球探测车的三向遥操作方案130-131
• 6.6 实验验证131-139
• 6.6.1 实验系统搭建132-133
• 6.6.2 实验结果133-139
• 6.7 本章小结139-140
• 结论140-142
• 参考文献142-154
• 附录154-155
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果155-158
• 致谢158-159
• 个人简历159

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本文编号：1013505