轮式移动机器人移动性能研究及样机设计开发

摘要

轮式移动机器人(WMR, Wheeled Mobile Robot)机械系统的研究涉及到运动学、动力学机构学等相关学科,是移动机器人精确控制的基础；既定设计用途的移动机器人总是建立在具体机械结构之上,其移动性能直接影响到机器人性能表现和功能发挥。本论文主要围绕轮式移动机器人移动性能进行研究,并设计开发了四轮差速转向构型和三轮前轮操舵驱动构型移动机器人样机。(1)利用移动机器人中常用车轮在轮面方向和轴线方向的速度受限方程,建立由多个车轮驱动和支撑的移动机器人速度堆积方程组；通过对堆积方程组的分析,归纳影响移动机器人移动能力的约束条件；从堆积方程组中提取的偏心转向轮速度方程证明了偏心转向轮作为自由轮时,其数量的增加并不会影响移动机器人的移动能力；从堆积方程组中提取的速度正解和逆解方程,表明了机器人运动状态量和车轮运动状态量之间的关系。(2)在对两种典型构型移动机器人运动学分析基础上,开发了两种构型的物理样机：差速转向构型样机XAUT. AGV100和操舵转向构型样机XAUT. AGV5000,主要针对转向原理、设计方案、驱动系统开发、控制和导航系统进行了研究。对于四轮差速转向构型,针对常用的自由轮缓冲系统提供了改进设计方法；在建立移动机器人动力学模型上,对移动机器人的驱动系统进行了开发；针对具体构型样机,导出了航位推算公式,获得了运动控制量算法。(3)一般路径曲线在过渡段连接点位置几何参数不连续,需要移动机器人驱动电机速度和转向电机位置实现跳变,受限于电机动力学性能,这种路径无法可靠地跟踪,从而影响了机器人的移动性能。论文第五章在笛卡尔坐标系中建立了一种连续曲率曲线,保证了机器人驱动电机和转向电机在这种路径连接位置处速度能够连续变化,从动力学方面保证了对电机的可控性。(4)移动机器人运行在实际路面上,车轮—路面接触因素决定的横滑因素对机器人的运动性能有很大影响。论文第六章对三轮式前轮操舵构型移动机器人的横滑特性进行了研究,在对移动机器人稳态圆运动建立动力学模型基础上,通过实验平台测量得到动力学模型求解所需的机器人运动参数,最后利用牛顿—拉夫森方法对动力学方程组进行了迭代求解,得到了实验样机在一定实验条件下的横滑刚度参数。论文提供的横滑刚度测量方法对移动机器人相关研究具有参考价值。(5)移动机器人运动中会受到横向冲击影响,如冲击力、横向风力、或者路面随机突起。论文在对移动机器人横滑特性研究基础上,针对三轮式前轮操舵构型移动机器人直线运动中的方向稳定性问题进行了研究,通过对机器人平面运动微分方程的求解和分析,得到了机器人直线运动的方向稳定性条件。根据该条件,对所开发样机XAUT. AGV5000的方向稳定性进行了校核,并通过实验进行了验证。论文中所讨论的运动学和动力学方法在所开发的样机设计中已得到体现,针对移动性能和路径跟随性能的研究和实验已通过所开发的样机得到验证,目前所开发的两个样机已分别投入到工程应用和科研教学中,为轮式移动机器人的应用和相关技术研究提供了可靠基础。

目录

摘要

Abstract

主要符号表

1 绪论

1.1 轮式移动机器人的发展历史与现状

1.1.1 国外的发展历史与现状

1.1.2 国内轮式移动机器人研究与应用状况

1.2 WMR相关研究概述

1.2.1 WMR机械系统

1.2.2 路径规划

1.2.3 跟踪控制

1.2.4 导航与定位

1.2.5 移动机器人控制技术

1.2.6 传感器技术

1.3 研究课题的确立

1.3.1 课题研究的工程背景及实验条件

1.3.2 课题研究的意义及应用前景

1.4 本论文研究的主要内容

2 WMR构型配置与运动学分析

2.1 WMR构型

2.1.1 WMR工作环境

2.1.2 车轮分类

2.1.3 轮式移动机器人构型分类

2.2 传统车轮WMR移动能力分析

2.2.1 平面运动刚体上点速度的表示

2.2.2 传统车轮在其受限方向上的约束方程

2.2.3 轮式移动机器人车轮堆积方程

2.2.4 移动机器人移动能力分析

2.2.5 两种构型WMR的移动性能分析

2.3 WMR运动学模型

2.4 本章小结

3 差速转向WMR样机的开发

3.1 差速转向原理

3.2 机械本体设计方案

3.2.1 车体结构

3.2.2 缓冲支撑设计

3.2.3 驱动系统开发

3.3 AGV100控制与传感系统

3.3.1 控制系统

3.3.2 传感系统

3.4 差速转向WMR航位推算及与运动控制量确定

3.4.1 航位推算

3.4.2 差速转向WMR运动控制量解析

3.5 本章小节

4 操舵转向驱动WMR样机的开发

4.1 转向原理

4.2 机械本体设计方案

4.2.1 车体结构

4.2.2 后支撑轮

4.2.3 驱动系统开发

4.3 自动导航牵引车整机系统组成

4.4 前轮操舵转向WMR航位推算及与运动控制量确定

4.4.1 航位推算

4.4.2 前轮操舵转向WMR运动控制量解析

4.5 本章小结

5 WMR局部路径规划中的连续曲率曲线路径建立及跟踪问题

5.1 WMR连续曲率曲线路径建立

5.1.1 笛卡儿坐标系中连续曲率曲线多项式的建立

5.1.2 连续曲率曲线路径的曲率变化

5.1.3 对称多项式曲线转向位置参数的确定

5.1.4 姿态角改变量大于90°时的对称多项式曲线建立

5.2 连续曲率曲线路径在前轮驱动操舵机器人局部路径规划中的应用

5.2.1 前轮驱动并操舵移动机器人运动模型

5.2.2 路径跟踪控制量求取

5.2.3 实验

5.3 本章小结

6 前轮驱动转向式WMR横滑刚度测量及其方向稳定性问题

6.1 前轮驱动转向式WMR前后轮横滑刚度测量

6.1.1 横滑特性研究现状

6.1.2 横滑刚度试验中必要的前提与假设

6.1.3 动力学模型的建立

6.1.4 实验

6.1.5 牛顿-拉夫森法求解动力学方程组

6.1.6 结果分析

6.2 前轮操舵驱动式移动机器人直线运动中的方向稳定性分析

6.2.1 WMR方向稳定性研究必要性及研究现状

6.2.2 动力学模型的建立

6.2.3 动力学方程的分析

6.2.4 方向稳定性条件验证及实验验证

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 论文创新之处

7.3 存在的不足与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及研究成果