可变形搜救机器人自主运动控制研究

发布时间：2017-12-20 21:40

  本文关键词：可变形搜救机器人自主运动控制研究　出处：《沈阳建筑大学》2016年硕士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：目前,楼宇废墟环境的复杂性和搜救工作的高效率需求,对废墟搜救机器人提出了更高的要求。采用遥操作控制的搜救机器人,存在搜救效率低、通信信号中断导致失联等问题。机器人的自主化顺应了当前灾难救援工作的需求,能够更好地适应颠簸的复杂废墟环境、提高灾难救援的工作效率,并能在机器人失联后确保机器人的自身安全。因此,灾难搜救机器人的自主运动控制研究成为机器人研究领域的热点问题。本论文的研究内容依托住房和城乡建设部“物联网环境下的建筑火灾监测和救援机器人关键技术研究”课题和国家科技支撑计划“机器人化地震应急搜救装备研制”课题展开。论文研究的主要内容包括可变形搜救机器人运动机理分析和运动学模型建立,感知系统研究,颠簸环境下自主运动控制方法研究,自主攀爬楼梯运动控制研究和基于逆航迹推算的自主返回运动控制研究。首先,本论文以可变形搜救机器人平台为基础,深入分析了可变形机器人直线运动和转向运动的运动机理及变形机理,建立了机器人的运动学模型。第二,针对机器人感知系统的需求,设计了分布式、模块化的感知系统结构。在深入分析距离感知模块、姿态感知模块和航向感知模块所应用的超声波传感器、倾角传感器和电子罗盘工作原理的基础上,将传感器的输出数据进行统一化处理。改进了限幅滤波算法,对超声波传感器的量测数据进行数字滤波,解决了超声波传感器由于二次反射造成的量测误差问题。第三,提出机器人运动速度与环境颠簸程度相协调的控制方法,解决颠簸环境下机器人自主运动的决策失误问题。针对引起机器人发生颠簸的障碍物,建立了颠簸环境下机器人姿态的数学模型,设计了模糊控制器,并采用MATLAB仿真验证了控制策略的有效性。第四,针对机器人自主攀爬楼梯的关键过程分别设计运动控制策略,解决机器人自主攀爬楼梯过程中与楼梯的碰撞问题。通过设计超声波传感器的安装位置和方向,解决了机器人对楼梯底部台阶和顶部台阶的识别问题;通过控制机器人各模块驱动电机的角速度比例关系,解决了机器人在楼梯平台与楼梯梯段过渡阶段的平滑运动问题;采用MECE(相互独立,完全穷尽)原则对机器人楼梯梯段运动过程中的方向和位置进行控制;通过实验验证了控制策略的有效性和准确性。最后,提出逆航迹推算自主返回控制策略,解决机器人因通信中断而造成的失联、失控问题。深入分析了逆航迹推算自主返回控制策略;制定了逆航迹推算自主返回控制策略的实现步骤;针对可变形搜救机器人的运动特点,对逆航迹推算自主返回控制策略进行了具体设计;通过实验验证了逆航迹推算自主返回控制策略的有效性。本文的研究成果,已经在可变形废墟搜救机器人中得到了成功应用。
【学位授予单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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