六轮自主移动机器人动力学建模与控制的研究

摘要

本文主要研究六轮自主移动机器人行走系统动力学与控制的问题。按照移动机器人在复杂地形环境工作的要求，设计了六轮摇臂式行走机构的总体结构和参数。建立了移动机器人的运动学模型，基于后退方法的思想设计了可靠、稳定的跟踪控制律，使得机器人能够很好地跟踪预设的轨迹。考虑到机器人在非平整地面上运行时轮子与地面的滑转位移，由D-H坐标变换法推导了各个车轮的正、逆运动学模型，为机器人运动控制系统设计和自主导航提供了必要的理论基础。本文还建立了机器人四轮转向系统的动力学模型，并深入研究了其稳态特性、动态特性和自主控制的问题，验证了所研究机器人结构参数的合理性。对比例控制、常规前馈—反馈控制和改进的前馈—反馈转向控制方案进行了研究，结果验证了改进的前馈—反馈转向控制方案可以有效地增强系统的鲁棒性和提高系统设计的灵活性。最后，要求机器人在非平整地面完成复杂的任务，提出了一种考虑机器人稳定的主动悬架控制的思想，并提出一种通过基于刚体运动学方程的轮—地面接触角估算方法来获得机器人工作地形起伏信息的方法。本文的结果为六轮自主移动机器人的结构分析与运动控制提供了必要的理论基础，其建模与分析思路也可推广应用到其它类型的轮式移动机器人中，具有一定的理论意义和实用价值。

目录

文摘

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1绪论

1.1概述

1.2国内外移动机器人发展概况

1.2.1国外移动机器人的发展状况

1.2.2国内移动机器人的发展状况

1.3移动机器人行走机构的研究概况

1.4课题来源和研究意义

1.5论文主要研究工作

2移动机器人行走机构总体设计的研究

2.1移动机器人行走机构的功能分析和设计要求

2.2移动机器人行走机构总体方案设计

2.2.1移动机器人行走机构的型式

2.2.2移动机器人行走机构的总体方案设计

2.3移动机器人行走机构总体参数设计

2.3.1驱动电机功率确定

2.3.3转向电机功率确定

2.3.4抬腿用电机功率确定

2.3.5臂架伸缩用电机功率的确定

2.4移动机器人总体结构

2.5小结

3移动机器人运动学建模及控制

3.1引言

3.2移动机器人运动学建模

3.2.1前轮转向运动学模型描述

3.2.2四轮转向运动学模型描述

3.2.3移动机器人位姿误差运动学模型的建立

3.3基于运动学模型的移动机器人轨迹跟踪

3.3.1问题的描述

3.3.2基于运动学模型跟踪控制律设计

3.3.3分析与仿真

3.4移动机器人位姿运动学建模

3.4.1移动机器人的基本结构

3.4.2坐标系的建立

3.4.3正运动学分析

3.4.4机器人车体正运动学模型

3.4.5逆运动学分析

3.5小结

4移动机器人动力学建模与控制

4.1引言

4.2四轮转向系统动力学建模与稳定性分析

4.2.1四轮转向系统动力学建模

4.2.2稳态特性分析

4.3动态特性分析

4.3.1后轮转向函数

4.3.2四轮转向对机器人横摆角速度的影响及稳定性分析

4.4控制及其仿真

4.4.1 比例控制

4.4.2前馈—反馈控制

4.4.3改进的前馈—反馈控制

4.5小结

5非平整地面移动机器人控制初步研究

5.1引言

5.2主动悬架式自主移动机器人控制问题

5.2.1问题的描述

5.2.2自由度分析

5.3轮—地面接触角估计

5.4主动悬架的控制

5.4.1稳定性测量分析

5.4.2机器人主动悬架的优化

5.5小结

6结论

致谢

参考文献

附 录

附录A车轮的正运动学模型

附录B车轮的逆运动学模型