时间能量最优的机场跑道异物处理机器人轨迹规划

摘要

机场跑道异物是指在飞机起飞或者降落区域内出现，并可能对飞机或机场系统造成损伤的不属于原有跑道或者机场的外来物质。大量的案例和实验表明机场跑道异物如果不及时处理会造成非常严重的危害。机场跑道异物主要具有复杂性及危害性大的特点:复杂性是指其类型、形状、体积及重量等都比较复杂及不确定;危害性大是大量的案例及实验都证明其对飞机、人员及机场系统的危害之大。机场跑道异物处理机器人必须及时的将异物从机场跑道或者机场系统收集并转移，因此处理及时性是必须要保障的参数。本课题来源于国家自然科学基金资助项目（项目编号:51375519），本文提出的机场跑道异物处理机器人包括机器人移动底座及异物处理操作臂，以机场跑道异物处理机器人为研究对象，以蚁群算法及高阶多项式插值理论为基础，采用时间及能量消耗最优建立优化目标函数，对机场跑道异物处理机器人模型及其操作臂进行研究。使异物处理机器人在多处异物间移动轨迹最优，能及时到达异物点并进行处理;同时操作臂末端轨迹光滑平顺，具有时间及能量消耗低的特性。
　　本文主要做了以下研究工作:
　　(1)为了提高机器人在多目标下移动的效率，综合分析影响到达异物点速度的各个因素，得出移动的路程是决定机场跑道异物处理机器人到达异物处的核心影响因素。首先建立异物的坐标，在不考虑机器人载重能力的前提下通过运用蚁群算法进行轨迹规划，然后结合实际使用的情况，考虑机器人对跑道异物的装载能力以及机场跑道异物的危害性不同，进行移动轨迹规划。
　　(2)为了使机场跑道异物处理机器人操作臂末端处理异物时轨迹连续平滑，时间能量最优，对操作臂数学模型进行了正解和逆解，通过对操作臂末端运行轨迹进行高阶多项式插值，对末端运行轨迹进行优化。
　　(3)通过Matlab仿真，实现在不考虑异物处理机器人载重能力的最优移动轨迹，及考虑异物处理机器人载重能力以及考虑异物危害程度情况下机器人往返于异物处理中心及异物点之间的最优轨迹。实现了整体移动距离最短，处理效率最高，实现了机器人整体移动过程中的时间能量最优。
　　(4)通过Matlab仿真，计算并绘制出操作臂末端的坐标变化情况，绘制出完整的末端运动轨迹，同时绘制出操作臂各关节的角度、速度及加速度变化曲线，验证了插值的有效性，实现跑道异物处理机器人操作臂末端运行轨迹的优化，时间能量最优。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外机器人研究现状

1．2．2 国内机器人研究现状

1．2．3 机场跑道异物处理国外研究现状

1．2．4 机场跑道异物处理国内研究现状

1．3 解决的主要问题

1．4 主要研究内容

第二章 机场跑道异物处理机器人操作臂运动分析

2．1 机械臂运动学理论基础

2．1．1 机械臂坐标系

2．1．2 机械臂坐标系变换

2．2 操作臂模型确定

2．3 操作臂运动学正解

2．4 操作臂运动学反解

2．5 本章小结

第三章 机场跑道异物处理整体运动路径规划

3．1 蚁群优化算法

3．2 构建基于蚁群算法数学模型

3．3 基于蚁群算法异物处理轨迹优化

3．4 本章小结

第四章 机场跑道异物处理机器人操作臂轨迹规划算法

4．1 操作臂控制与轨迹规划

4．2 轨迹规划目的及过程

4．3 操作臂轨迹插值

4．3．1 三次多项式插值

4．3．2 高阶多项式插值

4．4 本章小结

第五章 仿真及模型验证

5．1 不考虑承载能力的异物处理轨迹规划

5．2 考虑承载能力的异物处理轨迹规划

5．2．1 不同承载能力轨迹规划仿真

5．2．2 不同承载能力轨迹规划仿真结果分析

5．3 考虑跑道异物危害性的轨迹规划

5．3．1 不同承载能力考虑危害性轨迹规划仿真

5．3．2 不同承载能力考虑危害性轨迹规划仿真结果分析

5．4 机场跑道异物处理机器人运动学仿真

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果