欠驱动球形机器人纵向运动控制方法研究

摘要

球形机器人又可称为球形车辆，是一种新式的欠驱动移动载体，由于其拥有密封良好、欠驱动、转向灵活等特性使其对环境表现出较强的适应力和耗能低的特点，在工业、军事、未知空间探索等领域内有着极其广泛的应用前景。自从该类机器人出现以来便得到了各国机器人科研人员的广泛关注。本文所研究的球形移动机器人的运动可以通过原地转向和纵向直行运动分步完成，并且，纵向运动是该类机器入主要的运动形式，对纵向运动的有效控制直接关系到该类机器人执行任务的效果。所以，本文的主要研究内容是对纵向滚动状态下球形机器人进行相关的控制研究。
　　首先，利用矢量力学的方法详细介绍了球形机器人纵向滚动状态下的动力学模型的建模过程，鉴于在探测环境中机器人所受到的滚动摩阻不可避免地会影响机器人的运动状态，经过对机器人状态空间方程的深入分析和研究，推导出了球形机器人保持平衡运动状态的条件。
　　其次，结合球形机器人这类典型的欠驱动系统，同时考虑到滑模变结构控制对非线性控制系统具有一定的鲁棒性，设计一种分层滑模变结构的控制策略。同时，针对地面滚动摩阻的不确定性，提出对地面滚动摩阻进行自适应估计的控制方法，选取适当的Lyapunov函数证明系统在所设计的控制器的作用下是稳定的，并通过仿真分析检验所提出的控制策略的有效性。
　　再次，针对球形机器人状态不能够直接测量的现实情况以及地面滚动摩阻的不确定性，应用扩张观测器的相关技术，给出一种基于扩张观测器的球形机器人分层滑模控制方法，通过扩张状态观测器获得系统状态信息和滚动摩阻的估计值。应用Lyapunov稳定性定理，从理论上证明扩张观测器的稳定性以及控制系统在此控制方法作用下的稳定性，并通过控制系统仿真分析验证所提出的控制方法的有效性。
　　最后，针对球形机器人这类欠驱动、强耦合的非线性系统控制难度大的问题，并且考虑到在滚动摩阻的作用下内置悬架始终处于不规则的振动状态，此状态会对机器人成像效果带来恶劣影响，探索性地提出利用磁流变效应对机器人的内置悬架进行主动抑振的控制思路。提出磁流变主动抑振的具体实现方案，然后通过矢量动力学方法建立球形机器入主动控制系统模型。通过Lyapunov方法，提出相应的控制系统的控制律和对不确定项的自适应律，并利用仿真分析初步验证方案的可行性和控制方法的有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 国内外球形机器人发展概况

1．1．1 国外球形机器人发展概况

1．1．2 国内球形机器人发展概况

1．2 基于球形机器人技术的特种球形车模型

1．3 欠驱动系统研究

1．4 本文的主要内容及安排

2 纯滚动约束下球形机器人系统模型

2．1 纵向运动球形机器人系统工作原理

2．2 球形机器人纵向运动系统建模及动力学分析

2．3 球形机器人平衡运动条件

2．3．1 纵向运动球形机器人状态空间模型

2．3．2 平衡运动条件确定

2．4 本章小结

3 基于分层滑模技术的球形机器人控制系统设计

3．1 分层滑模控制技术

3．1．1 滑模变结构控制原理

3．1．2 分层滑模控制原理

3．2 自适应分层滑模控制器设计

3．2．1 分层滑模控制器设计

3．2．2 自适应控制方法

3．2．3 各层滑动平面稳定性证明

3．3 控制系统仿真分析

3．4 本章小结

4 基于扩张状态观测器的球形机器人控制系统设计

4．1 扩张状态观测器技术

4．2 机器人系统动力学模型

4．3 基于扩张状态观测器的控制器设计

4．3．1 扩张状态观测器设计

4．3．2 扩张状态观测器的稳定性证明

4．3．3 基于扩张观测器的分层滑模控制器设计

4．4 控制系统仿真分析

4．5 本章小结

5 基于磁流阻尼器的球形机器人控制器设计初探

5．1 磁流变液与磁流变效应

5．2 基于磁流变阻尼器的机器人模型

5．3 自适应控制器设计

5．4 控制系统仿真分析

5．5 旋转剪切式磁流变阻尼器及试验台设计

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢