两栖可变形机器人控制系统与自主越障研究

摘要

海洋与陆地衔接地带是科学研究、环境监测及军事领域等方面关注的重点区域之一。研究能够适应水陆两栖非结构环境的机器人及其关键技术，对提升我国近海领域技术优势、维护海洋权益和海防安全等具有重要的科学价值和战略意义。在中国科学院创新基金“水陆两栖可变形机器人研究”的支持下，本文针对具备较强环境适应性的链式模块化可变形水陆两栖机器人Amoeba-II的控制系统及自主越障控制方法开展研究。
　　首先，针对Amoeba-II的控制系统需求设计了基于层次化体系及分布式控制的模块化控制系统结构，控制系统按功能分为监控层、规划层和执行层，由规划、执行、通信和感知等模块组成。完成了基于VC的监控平台软件和以微处理器为核心的各模块的软硬件设计与实现，应用 CAN总线实现了模块间数据通信。通过机器人样机的两栖运动步态实验验证了该控制系统的有效性。
　　其次，为了实现对Amoeba-II自主运动控制方法的仿真研究，根据在ADAMS中便于建立虚拟机械系统、在MATLAB中便于建立控制方法模型的特点，将二者优势结合，设计了基于ADAMS和MATLAB的机器人联合仿真控制平台，并为提高仿真运行速度提出了一种简化的Amoeba-II虚拟机械系统模型。通过控制Amoeba-II虚拟样机运动的实验证实观测的控制效果与真实物理系统现象相接近。
　　最后，在对Amoeba-II越障运动特点分析的基础上，提出建立包含局部地形信息及运动目标的任务表，利用传感器反馈信息控制任务表的更新与执行，从而控制机器人实时调整姿态适应地形实现自主越障。这种方法是“传感器——执行器”的直接建模，是处于机器人智能控制系统底层的不假思索的反应式行为控制方法，是实现机器人智能控制不可缺少的重要组成部分。通过实验证实了这种方法用于机器人自主越障控制的可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.3 课题的提出及研究意义

1.4 论文主要研究内容

第2章 水陆两栖可变形机器人Amoeba-II

2.1 机器人Amoeba-II设计概念

2.2 机器人Amoeba-II机械结构

2.3 机器人Amoeba-II两栖运动机理

2.4 本章小结

第3章 控制系统设计与实现

3.1 控制系统需求分析

3.2 层次化分布式模块化控制系统结构设计

3.3 控制系统硬件设计与实现

3.4 控制系统软件设计与实现

3.5 实验

3.6 本章小结

第4章 基于ADAMS和MATLAB的机器人联合仿真控制平台

4.1 联合仿真控制平台设计原理

4.2 联合仿真控制平台设计与实现

4.3 实验

4.4 本章小结

第5章 基于反应式行为的自主越障控制方法研究

5.1 反应式行为控制方法

5.2 机器人控制系统的扩展

5.3 机器人越障运动分析

5.4 反应式行为自主越障控制方法

5.5 实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢