仿海蟹机器人路径跟踪控制方法研究

发布时间：2020-08-04 13:00

【摘要】：近年来,海洋与陆地衔接的浅滩带逐步受到海底资源勘测与开发、环境勘测、科学考究等海洋科学领域的关注,但传统机器人在该区域复杂涉水环境中适应性较差,从而进一步推动适应浅滩作业的机器人技术发展。而具备两栖作业能力的仿海蟹机器人以其自身优越特点可以很好发挥作用。无论执行具体任务或者进行勘测侦查作业情形中,需要合适的控制方法保证机器人能够准确高效按照规划路线运动。本文以生物海蟹作为原型,进行生物观测并对其进行结构和功能仿生和分析,研制出一种具备两栖运动能力的仿海蟹机器人,并选用自抗扰控制方法对该机器人进行路径跟踪控制。以仿生学为基础,对仿海蟹机器人进行结构设计和运动建模。通过对海蟹的生理结构和运动特征进行观测和分析,设计了串并联混合形式的五连杆机构步行足与仿海蟹机器人总机。建立了步行足的运动学方程,对步行足进行正逆运动学解算分析;同时建立仿海蟹机器人运动模型、差速驱动模型、整机运动模型以及简化动力学模型。然后结合所设计多足机器人全局步态,从而得到整机位姿、运动和各驱动关节之间的关系,并应用仿真软件进行仿真验证设计方案合理性和运动学建模的准确性。对仿海蟹机器人在水陆两栖环境中进行运动分析,对仿海蟹机器人进行水下环境动力学、水环境机体运动与步行足力和力矩关系以及机器人承受海底摩擦约束分析。应用智能化方法对仿海蟹机器人进行全局路径规划并且应用栅格法建立环境模型,且应用改进蚁群算法完成对仿海蟹机器人全局路径进行智能化规划。综合考虑非完整约束、机械约束以及机器人水下运动特性,提出满足机器人在水陆两栖环境中能够快速行走要求下的生成临时路径的方法。根据仿海蟹机器人系统特点以及运动模型,对传统的视线导航策略进行改进,并调整参考航向角输出,并建立机器人路径跟踪位姿误差方程,应用自抗扰控制方法设计仿海蟹机器人路径跟踪控制器;将小波神经网络加入二阶自抗扰控制器以提升自抗扰控制器,增强整个机器人控制系统抗干扰能力。针对跟踪误差,对扰动的抵抗程度,稳定度等方面进行仿真分析。对仿海蟹机器人进行路径跟踪运动仿真,并针对控制系统对机器人实际情形中定位误差的抵抗和修正能力加以仿真分析,验证所设计的整个仿海蟹机器人系统正确性、准确性以及抗扰能力。对基于普通自抗扰控制和小波神经网络自抗扰控制仿海蟹机器人进行运动仿真对比分析,结果表明:小波神经网络自抗扰控制拥有很好的动态特性和更强的抑制干扰的能力,具有更好的控制效果。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242;Q811
【图文】：

仿生机器人

随及它的身体触水并开始蛇形游动激励，一旦激励机器人肢翼的振荡器，原来的神经系统便转向新的模式，这即是陆地移动的典型驻波，应用该方式使该机器人在水陆环境变化时能够步态转换[23,24]。(a)ArielALUV (b) BUR-001 (c) Whegs IV(d)AQUA (e) Naro-Tartarug (f) Salamander-Like

两栖机,韩国,多足机器人

（a）LCR200 （b）CR200图 1.2 韩国两栖机器人 Crabster国，在应用于浅滩 BUT 作业的两栖多足机器人领域的研究也获得了突破究成果。沈阳自动化研究所和中国科学院研究生院于 2008 年共同合作研腿一体化的两栖多足机器人[32]，如图 1.3(a)。该机器人重约为 44 公斤，机：0.9m*1m*0.2m，水环境中运动最大速度可达 0.7 节。该机器人由六个关两个驱动机构为单自由度摆动翼关节，剩余四个驱动腿部都是采用轮桨混

仿生机器人

如图1.3(b)所示，该机器人具备水中游动和陆地上爬行运动功能，拥有较强的两栖环境适应性。其中每条步行腿拥有四个自由度，陆地上爬行阶段，依靠髋关节、膝关节以及俯仰作为驱动，其中旋转关节冗余；水下运动阶段，依靠髋关节、旋转关节以及俯仰关节为驱动，其中膝关节冗余。该机器人具备较强的承载驱动能力，且机器人具备机动性和灵活性好的优势。北京航空航天大学研究人员依据鳄鱼生物原型研制能够实现陆地爬行、水中浮游运动的两栖机器人，如图 1.3(c)所示。（a）轮桨混合机器人（b）MiniTurtle-I （c）仿鳄鱼机器人（d）仿蟹机器人（e）两栖四足机器人（f）仿海龟机器人图 1.3 国内两栖仿生机器人哈尔滨工程大学于 2001 年获得国家自然科学

【参考文献】