全向移动机器人的动力学建模与底层运动控制研究

摘要

底层运动控制，是全向移动机器人进行路径/轨迹规划与跟踪、避障等上层行为的基础，对全向移动平台的稳定运行与精确控制具有十分重要的意义。在RoboCup中型组机器人足球比赛中，全向移动机器人底层运动控制的性能，直接影响到了定点跑位、传接球等对于运动控制精度要求很高的动作的实现。本文借鉴了基于运动学模型的分层控制结构，提出了基于动力学模型的分层控制结构，既有利于系统模块化开发和上层控制算法的改进，又简化了全向移动机器人的动力学模型。
　　NuBot足球机器人是本文研究全向移动机器人的底层运动控制的实验平台。其采用的四轮全向移动平台，四个全向轮均匀分布在底盘的中心圆上，呈十字分布。通过对其轮系结构的分析，本文建立了机器人在无滑动条件下的运动学模型。然后在此基础上，结合了全向轮系的分布和安装方式，建立了机器人在体坐标系下的动力学模型。最后，基于设计的实验与数据分析，对模型中无法直接测量的参数进行了辨识。
　　NuBot足球机器人目前采用的是基于运动学模型的分层控制结构，底层运动控制器的输出是电机的转速，经驱动器（Elmo）来完成转速控制。由于在实际比赛中，机器人之间相互碰撞时造成电机堵转，容易触发Elmo的保护机制，自动断开电机供电。在高动态的比赛环境下，这个保护机制则会带来麻烦，使机器人失灵而被迫下场。本文设计了基于增益调度 PID的速度控制器，控制器的输出是电机的驱动电流，能够避免此问题的发生，而且可以保证电机在全速度范围都有较好的速度跟踪性能。
　　基于运动学模型的分层控制结构，不需考虑机器人具体的动力学特性，控制器设计相对容易，具有较好移植性，但有较大的系统时延。为了提高底层运动控制的实时性，同时避免电机转速控制器的繁杂的参数整定，本文基于机器人的动力学模型，提出了基于动力学模型的分层控制结构，既能有效消除时延，也能简化机器人的动力学模型。为了更好的解决四轮全向移动机器人容易出现的轮子打滑等问题，本文基于控制分配的思想，对电机的力矩进行了重分配，设计了闭环的速度跟踪控制器。
　　实验结果验证了两种不同速度跟踪控制器方案的可行性，并且设计的速度跟踪控制器具有良好的动态性能和较小的跟踪误差。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3 NuBot足球机器人全向移动平台系统简介

1.4论文的主要工作和组织结构

第2章 全向移动机器人的动力学建模和参数辨识

2.1全向移动机器人的坐标系定义

2.2全向移动机器人的运动学模型

2.3全向移动机器人的动力学模型

2.4模型的参数辨识

2.5小结

第3章 基于运动学模型的底层运动控制

3.1基于运动学模型的分层控制结构

3.2基于增益调度PID的电机转速控制

3.3实验结果与分析

3.4小结

第4章 基于动力学模型的底层运动控制

4.1基于动力学模型的分层控制结构

4.2基于动力学模型的控制分配

4.3实验结果与分析

4.4小结

第5章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果