四轮独立驱动巡视器运动控制研究

发布时间：2017-06-21 08:24

  本文关键词：四轮独立驱动巡视器运动控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：运动控制是巡视器完成深空探测任务的关键,是巡视器稳定运行、安全到达目标点的可靠保障。为使巡视器在未知地形环境下具有良好的运动控制性能,设计了独特的巡视器结构以适应崎岖路面状况,建立巡视器运动学模型并对其牵引控制性能仿真分析,将模糊控制与行为控制相结合对巡视器自主避障行为研究并在原理样机上验证。本文的主要工作如下:首先,为使巡视器有良好的驱动性能,设计四个轮子都可以独立驱动和转向的四轮巡视器。巡视器采用摇臂—转向架式结构,四个车轮能够始终和地面接触,使巡视器具有较强的牵引性能和地面适应能力。搭建了基于嵌入式VxWorks系统和CAN总线技术的分布式控制系统来提高信息传输的实时性和可靠性。每个电机作为一个节点挂载在CAN总线上,各节点彼此间相互独立。搭建的控制系统具有实时性好,信息传输稳定等特点,为巡视器的牵引控制和自主运动提供基础。其次,对四轮巡视器建模分析。应用D-H方法建立运动学模型,由巡视器运动学模型能够推导出巡视器在复杂环境下的车体位姿关系及车体速度与各车轮速度间的关系,为速度协调牵引控制和行为控制设计提供基础。使用Solid Works和Open Inventor工具完成了巡视器仿真系统平台的搭建,实现了巡视器运动学模型与巡视器三维模型的接轨。提出基于逆运动学的速度协调的牵引控制方法,通过控制各车轮速度和方向角度,实现巡视器对期望的速度与角速度的跟踪控制。在仿真平台上对所提出方法进行验证,结果表明所设计方法正确有效。然后,为提高巡视器在未知环境下运行的稳定性,保证巡视器安全运行到目标位置,将模糊控制理论和行为控制方法相结合,提出了可加模糊行为系统来实现巡视器自主行为控制。对巡视器趋向目标行为和避障行为进行分析设计,并设计权系数分配器调节子行为权重系数,将两种基本行为有效融合以提高巡视器自主运行的稳定性。实验结果表明所设计方法正确有效。最后,将避障算法策略移植到原理样机上进行实验,结果表明基于模糊行为控制的方法能够使巡视器在崎岖路面状况下具有良好的避障性能,进一步验证了避障行为算法的正确性。
【关键词】：巡视器 运动控制 牵引控制 行为控制 避障
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2;TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 研究背景及意义9-11
• 1.1.1 研究背景9-10
• 1.1.2 研究意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 巡视器结构11-14
• 1.2.2 巡视器牵引控制14
• 1.2.3 巡视器自主行为控制14-15
• 1.3 本文主要内容15-17
• 1.3.1 本文的研究思路和方法15-16
• 1.3.2 本文的结构安排16-17
• 第2章 巡视器结构和控制系统设计17-29
• 2.1 四轮独立驱动巡视器结构17-21
• 2.1.1 车轮的组成及其工作原理18-20
• 2.1.2 差速机构组成及其工作原理20-21
• 2.2 运动控制系统设计21-27
• 2.2.1 电机和编码器的选型23-24
• 2.2.2 嵌入式Vx Works系统介绍24-25
• 2.2.3 CAN总线介绍25-27
• 2.3 本章小结27-29
• 第3章 巡视器运动学建模和牵引控制29-53
• 3.1 运动学数学基础29-34
• 3.1.1 机器人位姿的表示29-30
• 3.1.2 关节坐标系变换30-32
• 3.1.3 刚体的线速度和角速度32-34
• 3.2 巡视器运动学建模方法34-37
• 3.2.1 机器人雅可比矩阵34-35
• 3.2.2 Denavit-Hartenberg(D-H)建模35-37
• 3.3 巡视器运动学建模37-42
• 3.3.1 巡视器各坐标间的D-H参数38-41
• 3.3.2 轮-地接触角估计41-42
• 3.4 速度协调控制42-45
• 3.5 巡视器仿真系统的构建45-48
• 3.5.1 三维建模方法45-46
• 3.5.2 仿真系统简介46-48
• 3.5.3 仿真流程48
• 3.6 仿真验证48-52
• 3.6.1 平地转向49-50
• 3.6.2 攀爬斜坡50-51
• 3.6.3 斜坡转向51-52
• 3.7 本章小结52-53
• 第4章 巡视器自主行为控制53-69
• 4.1 可加模糊控制53-54
• 4.2 行为控制54-55
• 4.3 可加模糊控制与行为控制结合55
• 4.4 可加模糊系统模型55-57
• 4.5 可加模糊行为控制系统的行为设计57-64
• 4.5.1 巡视器代理体58-59
• 4.5.2 避障行为的设计与仿真59-62
• 4.5.3 趋向目标行为的设计与仿真62-64
• 4.6 行为竞争64-65
• 4.7 行为融合65-68
• 4.7.1 权重系数分配器设计65-66
• 4.7.2 行为融合仿真实验66-68
• 4.8 本章小结68-69
• 第5章 巡视器避障行为实验与分析69-75
• 5.1 超声波传感器69-71
• 5.2 VxWorks下控制程序的编写71
• 5.3 避障实验71-73
• 5.4 本章小结73-75
• 结论75-77
• 参考文献77-81
• 附录81-82
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文82-83
• 致谢83

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