复杂地形环境下新型轮腿复合式移动机器人控制系统研究

摘要

随着我国油气田的开发以及石化企业的大发展，迫切需要研发针对油气田和石化企业等大空间下的化学危险品的监测和应急救援系统。本文在天津市科技计划项目(10ZCKFSF01400)、河北省自然基金(E2010000049)和国家863计划(2012AA041508)支持下，针对石化行业复杂地形环境，设计了一新型轮腿复合式移动机器人系统。从构型设计和运动控制两方面保证机器人具有较好的地形适应能力，能快速、安全的到达目的地。
　　本文的创新性工作包括：
　　1、针对复杂环境，设计了一新型轮腿复合式移动机器人。对前后轮腿结构参数及其越障过程姿态进行优化，降低了能耗，提高了地形适应能力。车体部分能根据机器人横滚角进行侧倾调节，通过改变质心位置，提高机器人抗倾覆能力。重心可调的轮腿相结合的构型设计保证了机器人的稳定性、快速性和地形通过性。
　　2、针对机器人驱动控制，由分层协调控制器根据滑转率正常与否决策进行轨迹跟踪控制还是滑转率控制。轨迹跟踪控制方面，针对驱动动力学建模中存在较多不确定项的情况，提出了一种积分终端滑模实现机器人轨迹跟踪控制，该方法融合积分滑模和终端滑模的优点，提高了控制的精度和快速跟踪能力；同时，通过模糊规则调节切换增益大小，减小滑模控制的抖振现象。滑转率控制方面，提出一种积分滑模实现机器人滑转率控制，该控制通过积分项提高控制精度，而且滑模过程无趋近阶段，提高了系统的鲁棒性；同时，切换增益采用自适应调节规律，减少了抖振现象。
　　3、针对机器人姿态控制，利用稳定边界法分析机器人的侧翻稳定性，根据稳定裕量，判定机器人是否需要实施车体侧倾控制，车体倾角控制的参考值由RBF神经网络根据侧坡坡度实时获得。提出了安全稳定裕量的概念，当稳定裕量大于设定的安全稳定裕量时，机器人不需要进行姿态调整。
　　4、前后轮腿系统的摆角控制中，针对模型中的非线性及干扰较大的情况，提出了反演积分终端滑模控制，在反演的最后一步引入积分终端滑模，提高了系统的快速性和控制精度，并通过非线性干扰前馈补偿提高系统抗干扰能力。

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第一章 绪论

§1-1课题概述

§1-2轮腿复合移动机器人研究概述

§1-3轮腿复合移动机器人关键问题研究

§1-4论文主要研究内容

第二章 轮腿复合移动机器人构型分析与设计

§2-1引言

§2-2轮腿复合移动机器人构型要求

§2-3轮腿复合移动机器人构型设计

§2-4轮腿复合移动机器人行进策略及性能分析

§2-5轮腿复合移动机器人控制系统设计

§2-6本章小结

第三章 轮腿复合移动机器人运动学和动力学分析

§3-1引言

§3-2轮腿式移动机器人运动学分析

§3-3轮腿复合移动机器人动力学分析

§3-4本章小结

第四章 轮腿复合移动机器人驱动控制系统设计

§4-1引言

§4-2分层协调控制

§4-3轮腿复合式移动机器人轨迹跟踪积分终端滑模控制

§4-4轮腿复合式移动机器人滑转率自适应积分滑模控制

§4-5本章小结

第五章 轮腿复合移动机器人姿态稳定分析与越障控制

§5-1引言

§5-2常用的稳定分析方法

§5-3轮腿复合移动机器人侧向斜坡姿态稳定分析

§5-4 轮腿复合移动机器人越障控制

§5-5 本章小结

第六章 轮腿复合式移动机器人虚拟环境下仿真实验

§6-1 引言

§6-2 轮腿复合移动机器人稳定性仿真实验

§6-3 本章小结

第七章 结 论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间所取得的科研成果