一种机场跑道检测机器人的运动控制研究

摘要

随着现代航空业的迅速发展，飞机客货运量不断增长，因此飞机的安全问题也受到了人们越来越多的关注。机场跑道的安全检测是确保飞机起飞降落顺利的重要环节，具有很重要的现实意义。国外对于机场跑道自动检测系统的研究起步较早，目前已经研究出几种类型的自动化设备。然而国内对于相关方面的研究开始得较晚，目前取得的实用成果较少。所以，研究一种机场跑道检测机器人是非常有必要的。
　　本文设计了一种基于Mecanum匹轮全方位移动机器人作为运动检测平台，机场跑道检测机器人的底盘运动控制是完成各种智能检测和控制的基础，它的控制质量将直接影响到整个机器人系统的性能。因此，本设计主要研究机场跑道检测机器人的运动控制系统。通过设计各种智能控制器来实现机器人的运动控制，从而使机器人能够快速稳定地实现全方位移动。
　　首先，本文分析了机场跑道检测机器人系统的整体架构，根据对机器人整体以及轮子的运动分析建立了运动控制系统的运动学模型，根据拉格朗日法建立了动力学模型，并制定运动控制系统的控制方案。
　　然后，分别将内分泌调节机制和模糊自适应控制引入传统PID控制，设计了两种智能PID运动控制器，并在MATLAB中对运动控制系统进行运动控制仿真研究，将结果与传统PID运动控制器的仿真研究结果进行对比，结果表明智能PID运动控制器可以使系统的动态特性以及抗干扰性都有所改善，控制效果较好。
　　其次，设计了一种基于滑模变结构控制的运动控制器来实现对运动控制系统进行运动控制仿真研究。由于滑模变结构控制自身存在抖振问题，设计了一种变速趋近律的方法来抑制其抖振。将仿真结果与其它三种运动控制器的仿真研究结果进行对比，结果表明基于改进趋近律方法的滑模运动控制器可以有效的提高系统的动态性能和抗干扰能力，控制效果较好。
　　最后，对机场跑道检测机器人的运动控制系统进行设计实现，包括硬件设计和软件设计。利用上位机LabVIEW和TMS320F28335型DSP开发板实现对实际机场跑道检测机器人的运动控制系统测试，测试验证了运动控制系统的有效性，所设计的运动控制器可以实现机器人全方位移动。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景和意义

1．2 国内外研究发展现状

1．2．1 机场跑道检测系统的国内外研究现状

1．2．2 全向移动机器人的研究现状

1．2．3 全向移动机器人运动控制方法的研究现状

1．3 课题的主要研究内容和章节安排

第2章 机场跑道检测机器人运动系统模型建立

2．1 检测系统的整体架构设计

2．2 机场跑道检测机器人系统的架构

2．3 运动控制系统的分析与设计

2．4 运动控制系统的数学建模

2．4．1 运动学模型的建立

2．4．2 动力学模型的建立

2．5 运动系统控制方案

2．6 本章小结

第3章 基于智能PID的机场跑道检测机器人运动控制

3．1 传统PID运动控制器设计

3．1．1 PID控制理论

3．1．2 PID控制律的设计

3．1．3 仿真实验

3．2 基于内分泌调节机制的PID运动控制器设计

3．2．1 内分泌系统

3．2．2 内分泌调节机制

3．2．3 内分泌PID控制器的设计

3．2．4 仿真实验

3．3 基于自适应模糊控制的PID运动控制器设计

3．3．1 模糊控制理论

3．3．2 模糊控制系统的组成

3．3．3 自适应模糊PID控制器的设计

3．3．4 仿真实验

3．4 本章小结

第4章 基于滑模控制的机场跑道检测机器人运动控制

4．1 滑模变结构控制理论

4．1．1 滑模变结构控制理论的起源和特点

4．1．2 滑模变结构控制理论的基本原理

4．2 滑模变结构控制存在的抖振问题

4．2．1 抖振产生的主要原因

4．2．2 解决抖振问题的方法

4．3 基于改进趋近律方法的滑模变结构控制器设计

4．3．1 设计原理

4．3．2 变速指数趋近律及控制律的设计

4．4 仿真实验

4．5 四种控制器控制性能的比较

4．6 本章小结

第5章 机场跑道检测机器人运动控制系统的设计实现

5．1 运动控制系统的硬件设计

5．1．1 运动控制系统总体方案设计

5．1．2 运动控制系统各模块实现

5．2 运动控制系统的软件设计

5．2．1 运动控制系统的软件设计要求

5．2．2 运动控制系统的软件设计流程

5．2．3 运动控制系统的软件调试过程

5．3 实验研究

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢