四轮独立驱动和转向机器人平台控制系统的设计与实现

摘要

随着机器人技术的发展，移动机器人在工业、军事、危险环境或服务业等众多场合的应用日趋广泛，这对机器人平台的稳定性、灵活性提出了严格的要求;另外，当移动机器人沿着规划的轨迹运行时，期望能很好地跟踪轨迹。因此，需要移动机器人具有良好的机械结构和控制策略。为了改进当前四轮机器人存在的机械部分复杂、占用空间大、转弯空间受限等问题，设计了一种四轮独立驱动机器人平台控制系统，主要研究工作如下: (1)设计机器人平台控制系统总体方案，建立平台的动力学模型，完成机器人平台控制系统的软硬件设计，在分析常规PID控制性能基础上，设计一种模糊神经网络PID控制器;为有效提高机器人平台的控制精度与运行稳定性，采用卡尔曼滤波算法对平台的转向信号进行滤波;为避免梯度下降法调整权值的局限性，采用李雅普诺夫理论对模糊神经网络算法的权值调整进行改进。通过模糊神经网络算法，径向基网络算法和传统PID控制算法的仿真结果对比，得出本文所采用的控制算法具有超调小、稳定快、控制精度高的优点。 (2)针对机器人平台运行稳定性由速度和转向共同影响，而其速度稳定性与转速的加减速处理有关的问题，利用S曲线算法对机器人平台进行转速处理，通过进行S曲线算法处理前后的仿真结果和机器人平台的控制精度，验证了S曲线算法可以提高平台的稳定性，减轻机器人平台在加减速运行下的冲击性。 (3)利用搭建的实物平台，通过将基于模糊神经网络算法优化PID参数的结果应用于该平台，并与传统PID算法的轨迹效果进行对比分析，验证了模糊神经网络PID算法的控制效果优于传统PID控制。

目录

摘要

第1章绪论

1．1课题研究背景和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国内外轮式机器人研究现状

1．2．2机器人转向控制算法研究现状

1．2．3存在问题

1．3论文研究内容及组织结构

1．4本章小结

第2章四轮独立驱动和转向机器人平台系统方案设计

2．1机器人平台驱动方式选择

2．1．1差动运行方式

2．1．2全向转动方式

2．2四轮独立驱动和转向机器人平台的设计

2．2．1设计要求

2．2．2机器人平台结构与整体系统方案设计

2．3四轮独立驱动和转向机器人平台控制策略设计

2．3．1平台的动力学模型

2．3．2四轮独立驱动和转向机器人平台控制策略

2．4本章小结

第3章四轮独立驱动和转向机器人平台转向控制算法研究

3．1 控制算法需求分析与算法介绍

3．1．1 PID控制算法

3．1．2模糊控制算法

3．1．3模糊神经网络控制算法

3．2转向控制对象数学模型

3．3四轮独立驱动和转向机器人平台的转向控制设计

3．3．1转向信号数字化处理

3．3．2基于卡尔曼滤波的转向信号预处理

3．3．3模糊神经网络PID算法研究

3．3．4改进型模糊神经网络PID算法研究

3．4改进型模糊神经网络PID算法仿真实验

3．4．1机器人平台转向动力学模型实验改进

3．4．2模糊神经网络PID控制器实验仿真

3．5本章小结

第4章四轮独立驱动和转向机器人平台转速处理算法研究

4．1四轮独立驱动和转向机器人平台速度PID控制

4．1．1机器人平台速度控制策略

4．1．2电机的转速处理方法理论

4．1．3基于S曲线算法的转速分割处理

4．2四轮独立驱动和转向机器人平台转速处理实验

4．3本章小结

第5章四轮独立驱动和转向机器人平台软硬件设计与实现

5．1四轮独立驱动和转向机器人平台整体结构

5．2四轮独立驱动和转向机器人平台控制系统硬件设计

5．2．1硬件系统方案设计

5．2．2核心主板研究与设计

5．2．3电机驱动部分

5．3四轮独立驱动和转向机器人平台控制系统软件设计

5．4实验及结果分析

5．5本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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