储罐用磁吸附爬壁机器人运动控制技术研究及应用

摘要

爬壁机器人越来越多地应用到大型罐体表面作业，但由于爬壁机器人运动的特殊性以及储罐表面环境的影响，使其运动控制变得十分复杂。为解决罐体作业爬壁机器人的运动控制难题，依托磁吸附轮式移动爬壁机器人为载体，进行如下内容的研究： 首先针对爬壁机器人在罐体表面跟踪期望路径的问题，建立了运动学与动力学模型，基于滑模控制理论，以运动学及稳定性约束推得协助速度、角速度，并与实际速度、角速度的误差作为滑模切换面，由Backstepping思想反推趋近律得到滑模控制律，考虑模型认知度与外部环境环境影响，提出了自适应控制估计不确定参数并设计自适应律，改进控制器，验证了控制系统的Lyapunov渐进稳定性；通过与一般滑模控制、自适应模糊控制仿真比较，结果表明：改进后的控制器能明显提高对期望路径的跟踪精度以及响应速度，也显示出了较强的鲁棒性。 针对罐体表面作业过程中避障的问题，提出模糊控制规避障碍物的解决方法并设计了避障模糊控制器，以爬壁机器人与障碍物的距离量、爬壁机器人与目标点的角度量为输入，爬壁机器人的速度、角速度为输出，确定了各参数的论域及隶属度，并建立了模糊规则表，采用重心法解模糊化；考虑罐体环境对传感器的影响，提出优雅降级避障控制策略，在传感器受环境影响暂时失灵的情况下仍能够越过障碍物到达目标点。通过与人工势场避障方法仿真比较，避障模糊降级算法更有效地避开障碍物，并在传感器异常情况下，保证爬壁机器人到达目标点。 根据作业算法控制需求，对爬壁机器人控制系统进行了设计。为提高控制灵活性，在轮部电机控制模块中应用主从控制结构，保证爬壁机器人在储罐表面上能自由行走；另外设计了传感器模块使得爬壁机器人在作业过程中实现定位并能够探测到障碍物；设计了无线通信模块以便于爬壁机器人与远程计算机交互；完成了整体运动控制系统的软件设计。 最后对爬壁机器人进行了直线轨迹跟踪以及避障实验。对于直线轨迹的跟踪十分准确，具有良好的效果；前方有障碍物时，爬壁机器人也能够及时的避开。通过上述实验，验证了控制系统、路径跟踪控制器以及避障控制器的有效性。

目录

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2爬壁机器人运动控制技术研究现状

1.2.1 路径跟踪控制技术研究现状

1.2.2 避障控制技术研究现状

1.2.3 控制系统研究现状

1.3论文研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 爬壁机器人路径跟踪控制

2.1爬壁机器人运动学模型

2.2爬壁机器人动力学模型

2.2.1 爬壁机器人受力分析

2.2.2 爬壁机器人动力学模型

2.3控制律设计

2.3.1 滑模控制简介

2.3.2 切换面的确定

2.3.3 滑模控制率设计

2.3.4 自适应滑模控制率

2.4 仿真验证

2.5本章小结

3 爬壁机器人避障研究

3.1避障模糊控制器输入输出变量选取

3.2 论域、隶属度、量化因子及比例因子的确定

3.3避障模糊规则设计及模糊推理

3.4解模糊化与输出

3.5优雅降级策略的设计

3.6 仿真验证

3.7本章小结

4 爬壁机器人控制系统设计

4.1爬壁机器人控制系统总体结构

4.2主控器电路设计

4.3轮部电机驱动模块设计

4.3.1 直流电机正反转及转向实现

4.3.2 直流电机协调控制

4.4传感器模块设计

4.4.1 探测传感器设计

4.4.2 位姿传感器设计

4.5无线通信模块的设计

4.6电源电路设计

4.7控制系统软件设计

4.7.1 主控器软件设计

4.7.2 轮部从控制器软件设计

4.8本章小结

5 爬壁机器人路径跟踪与避障实验

5.1爬壁机器人路径跟踪实验

5.2爬壁机器人避障实验

5.3本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录1

附录2

附录3

作者简历

学位论文原创性声明

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