各向相异性的全方位移动机器人优化运动控制

摘要

本文主要研究目标为：研究出对全方位移动机器人轮系布置方式具有指导性价值的设计依据；提出对参数不确定性以及外干扰等具有完全自适应性或不变性的运动控制方法；应用多轴协调控制方法，解决由于多轮轴运动不协调带来的机器人打滑问题；结合全方位移动机器人特有的各向相异性性能，获得机器人避障过程的最优路径，从而开发出一套适合全方位移动机器人的运动控制系统。
　　 针对该研究目标本文主要进行以下方面的研究：
　　 1)提出机器人各向最大速度与轮系布置以及轮子数量的规律；通过对全方位移动机器人各个方向运动的最大速度、最大加速度、各轴驱动力矩、运动效率的综合建模，提出各向相异性概念。
　　 2)引入全方位移动机器人各向动力学相异性，考虑了地面环境摩擦等因素的影响，建立基于等效控制和切换控制的模糊滑模系统，实现各轮子加减速过程中的运动速度匹配，解决了全方位移动机器人的非线性扰动，有效减少了打滑现象。
　　 3)引入最重要的误差量（角度误差）作为反馈量，根据一定的关系分配到各个轮子，同时引入全方位移动机器人的各向相异性作为补偿因子，调整各个轮子的补偿量，提出一种新的适合全方位移动机器人的姿态优先交叉耦合控制方法。
　　 4)建立相异性函数，通过相异性函数对传统人工势场法规划出的运动方向进行改进，以快速性、高效性、稳定性为指标，研究适合全方位移动机器人的运动规划方法。
　　 组织结构
　　 全文共分六章，具体内容对应如下：
　　 第一章：简述研究背景、意义、研究目的，综述全方位移动机器人平台及相关建模方法，以及运动控制理论与方法的国内外研究现状与相关进展，通过综述和总结，提出本文的研究目的、研究思路以及主要研究内容。
　　 第二章：分析运动学、动力学性能前提下，研究全方位移动机器人最大速度与轮系布置的关系，总结出机器人各向最大速度与轮系布置以及轮子数量的规律，从而对机器人进行优化设计，利用汽车动力学理论原理，对机器人打滑极限情况进行分析，推导出各向最大加速度以及对应的电机力矩值，通过对机器人受力情况进行分析，获得机器人，的动力学特性，并且推导出机器人沿各个方向运动时消耗能的差别；通过对全方位移动机器人的最大速度、最大加速度、各轴驱动力矩、运动效率的分别建模，提出各向相异性概念。
　　 第三章：考虑摩擦力、负载等因素下，引入驱动轮、从动轮的动力学模型，建立了基于等效控制和切换控制的模糊滑模系统，有效地克服了全方位移动机器人模型参数不确定性以及外干扰的影响，消除了系统抖振；同时引入全方位移动机器人各向动力学相异性，考虑了地面环境摩擦等因素的影响，通过应用相异性与模糊滑模控制相结合的方法使得全方位移动机器人各轮子在加减速过程中实现运动速度匹配，特别是在机器人起动阶段，使得各轮子能够匹配地到达目标速度，从而有效地减少了打滑现象，提高了实际控制精度。
　　 第四章：针对机器人重心高度对加速过程中各轮子受力的影响，提出机器人在无倾覆情况下，各轮子获得稳定无打滑运动的最大加速度范围；为了使机器人发挥特殊全方位移动方式的优势，综合分析影响伞方位移动机器人运动协调性的各种因素，通过将最重要的误差量角度误差作为反馈量，根据一定的关系将补偿量分配到各个轮子，从而提出一种新的适合全方位移动机器人的姿态优先交叉耦合控制方法，达到各轴协调运动的目的，保证在全方位移动方式下的精确控制。通过ADAMS-MATLAB的仿真实验，进一步验证了提出的交叉耦合控制方法的有效性。
　　 第五章：建立相异性函数，用于表征各向运动效果的优劣；为适应动态工作环境，引入障碍物与目标物相对机器人的动态参数，分析机器人的安全避障区间，以及到达目标点的短路径区间，以快速性、稳定性、高效性为运动规划指标，根据所建立的相异性函数，通过调整各项指标权重获得所要求的运动效果，对传统人工势场法规划的运动方向进行调整，提出适合全方位移动机器人的运动规划方法。
　　 第六章：介绍了用于验证全方位移动机器人运动控制方法的实验平台，包括机器人的硬件系统与软件系统，并且设计了相关实验用于进一步验证本论文提出的运动控制方法的效果，包括轮子层的基于各向相异性的模糊滑模变结构控制方法、整体层的姿态优先交叉耦合控制方法，以及轨迹层的基于各向相异性的改进型路径规划方法。
　　 第七章：总结本论文的研究工作，并对今后的进一步深入研究，提出了研究的思路和建议。