小型履带式移动机器人遥自主导航控制技术研究

发布时间：2017-04-26 23:00

  本文关键词：小型履带式移动机器人遥自主导航控制技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：履带式移动机器人由于接地压强小、附着力大、越障能力强等优点已经成为军用机器人的首选,小型履带式遥控机器人质量轻、便于携带,通常用于城市街巷、建筑物内等复杂作战环境。为了解决机器人丢失遥控信号后失控的问题,人们加大了自主军用机器人的研发力度,但由于机器人作战环境的未知性、动态性,在目前相关技术水平下,实现全自主导航难度较大,因此遥自主导航控制方式在未来相当长的时期内仍占有重要地位。伴随传感器技术和计算机技术的发展,自主导航技术日臻完善,但是由于小型移动平台体积小、供电能力有限,在传感器选型和控制器运算能力等方面都受到限制,因此小型移动机器人的自主导航仍存在许多亟待解决的难题。本文结合总装“十二五”预研项目,针对机器人遥控信号丢失后自主返航至可遥控区域的需求,研究小型履带式移动机器人遥自主导航控制技术,主要包括以下研究工作:针对履带式移动机器人的移动方式进行受力分析,根据牛顿欧拉方程建立动力学模型,确定机器人转向阻力与电机驱动力之间的关系。为了直观地分析履带式移动机器人的动态性能,在动力学分析的基础上,建立履带式移动机器人虚拟样机。通过虚拟样机仿真对机器人动态特性进行预测,从而为遥自主导航控制的底层控制系统设计及硬件设备选型提供指导。设计了小型履带式移动机器人遥自主导航控制系统,解决遥控信号中断后机器人如何自主返航的问题。由于小型移动机器人受自身条件的限制,合理选择了传感器及驱动设备,建立了感知、定位和控制模块相结合的结构体系。将控制系统分为上层决策控制和底层电机控制两部分,并采用自下而上的方法对这两部分进行研究。为了解决机器人遥自主导航过程中定位的问题,针对履带滑移所引起的非系统定位误差,在运动学模型中引入可以描述滑移效应的系数,建立了滑移运动学模型。滑移系数的时变性导致滑移运动学模型在定位及控制中无法直接使用,因此提出了一种滑移运动学参数辨识方法。通过离线试验测量的方法获得机器人在同一路面、不同速度下的滑移系数,并建立模糊规则库,设计模糊控制器,将其应用到移动机器人航迹推算及运动控制中,在线获得不同前进速度和旋转速度下的滑移系数,实时修正运动学模型。针对模糊控制器自学习、自适应能力差的缺点,加入惯性导航单元,将里程计与惯导数据进行融合,进一步提高定位精度。为了验证滑移运动学模型的定位精度,提出基于路标的全局定位方法,利用激光雷达的扫描数据以及机器人与路标之间的几何关系确定机器人运动轨迹。针对机器人自主导航过程路径规划问题,提出启发式搜索路径规划方法,设计机器人安全性最高和效率最高两种搜索准则,通过求解评价函数f的最大值和最小值来确定机器人的行驶路径。为了实现机器人准确跟踪路径规划提供的目标序列点,提出基于螺旋理论的矢量跟踪方法,考虑履带式移动机器人的机械约束以及控制器的运算能力,设计了基于行为判断的路径跟踪控制算法,该算法可执行性高,满足小型移动平台控制的实时性要求。考虑到移动机器人在运动过程中可能遇到障碍物的情况,采用基于激光雷达探测的自主避障方法提高跟踪控制系统的可靠性。为验证本文所提出遥自主导航控制方案,选用sb RIO 9626作为上层控制器,使用Labviwe编写包括遥自主模式判别、遥控模式下局部环境信息处理、基于滑移运动学模型的航迹推算定位算法、路径跟踪控制算法及自主避障算法在内的控制程序,并在样机上进行了试验验证。试验结果表明本文所设计的遥自主控制方案可行,满足系统响应快、实时性高的要求。
【关键词】：履带式移动机器人 虚拟样机 遥自主 运动控制 路径跟踪
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-31
• 1.1 本文选题背景及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状15-27
• 1.2.1 移动机器人国外研究现状15-20
• 1.2.2 移动机器人国内研究现状20-21
• 1.2.3 履带式移动机器人导航控制技术研究现状21-27
• 1.3 本文主要内容安排27-31
• 1.3.1 主要研究内容27-29
• 1.3.2 论文章节安排29-31
• 第2章 动力学分析与仿真31-48
• 2.1 概述31
• 2.2 原理样机组成31-33
• 2.3 动力学分析33-37
• 2.3.1 直线动力学分析33-34
• 2.3.2 转向动力学分析34-37
• 2.4 虚拟样机建模37-41
• 2.4.1 机械系统模型37-39
• 2.4.2 控制系统模型39-40
• 2.4.3 机械-控制系统联合模型40-41
• 2.5 虚拟样机仿真41-46
• 2.5.1 电机参数测试试验41-43
• 2.5.2 仿真分析43-46
• 2.6 本章小结46-48
• 第3章 遥自主导航控制系统设计48-55
• 3.1 概述48
• 3.2 遥自主导航控制系统硬件设计48-52
• 3.3 遥自主导航控制系统软件52-54
• 3.3.1 遥控操作协议52-53
• 3.3.2 遥自主模式转换53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 滑移运动学模型及参数辨识方法55-76
• 4.1 概述55-56
• 4.2 滑移运动学模型56-58
• 4.3 移动机器人航迹推算定位58-60
• 4.4 滑移系数辨识60-66
• 4.4.1 定点旋转参数辨识61-64
• 4.4.2 耦合作用下参数辨识64-66
• 4.5 试验验证66-74
• 4.5.1 参数辨识试验66-67
• 4.5.2 模糊控制器设计67-69
• 4.5.3 基于激光雷达的全局路标定位69-72
• 4.5.4 基于滑移运动学模型的定位试验72-74
• 4.6 本章小结74-76
• 第5章 路径规划与跟踪控制方法76-103
• 5.1 概述76-77
• 5.2 路径规划方法77-83
• 5.2.1 启发式搜索算法77-80
• 5.2.2 路径规划仿真80-83
• 5.3 路径跟踪方法83-89
• 5.3.1 路径跟踪误差模型83-86
• 5.3.2 基于螺旋理论的矢量路径跟踪方法86-89
• 5.4 跟踪控制律设计89-98
• 5.4.1 跟踪控制律模型89-93
• 5.4.2 路径跟踪仿真93-98
• 5.5 遥自主导航控制试验98-102
• 5.5.1 安全返航试验98-101
• 5.5.2 高效返航试验101-102
• 5.6 本章小结102-103
• 第6章 自主避障控制策略103-114
• 6.1 概述103
• 6.2 激光雷达数学模型103-106
• 6.3 自主避障控制方法106-109
• 6.3.1 机器人可行方向106-107
• 6.3.2 机器人可行角度107-109
• 6.3.3 角速度控制律109
• 6.3.4 线速度控制律109
• 6.4 实时避障仿真109-111
• 6.5 自主避障试验111-113
• 6.6 本章小结113-114
• 结论与展望114-117
• 参考文献117-126
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单126-127
• 致谢127-128
• 作者简介128

  本文关键词：小型履带式移动机器人遥自主导航控制技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：329378