轮式滑动转向移动机器人的机械平台设计与模型分析研究

摘要

轮式滑动转向移动机器人(Wheeled Skid-Steered Mobile Robots，WSMR)，由于其坚固耐用的机械结构和高度的灵活性，可以被应用于排除危险、科学考察、军事战斗、救生援助、智能交通等领域。
　　 移动机器人的模型和运动控制是移动机器人研究领域最基本的问题，也是移动机器人实现智能化及自主工作的关键性技术。因此研究WSMR机器人的模型和运动控制问题具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　 滚动的同时伴随着滑动是WSMR运动的基本特征，这种运动本质上是非线性的。WSMR是一个典型的非线性、时变、多变量、强耦合的非完整约束系统。这就使其运动学和动力学模型的建立及运动控制比较困难。
　　 本文以WSMR的平台和模型为研究对象，部分研究内容是目前在研的国家自然科学基金《基于机器视觉和惯性测量的轮式滑动转向移动机器人定位导航与遥感知》的一个重要组成部分。
　　 本文主要分为三个部分和两个附录，第一部分介绍了本人参与设计的两套WSMR实验平台——NKRover-1和NKRover-2，并分析了它们的驱动条件。第二和第三部分建立了四轮转速各异的WSMR的运动学和特定条件下的动力学模型并进行仿真和实验研究。附录A为相关的基础知识，包括计算地面力学和汽车动力学，为WSMR模型的建立和分析提供理论基础。附录B为机械平台设计的部分零件的零件图。附录主要为后续研究提供方便。
　　 目前的WSMR的运动学和动力学模型都是基于“同侧两个车轮等速”这个假设，这种模型借鉴了履带车模型，简化了建模复杂度，并未建立起全独立驱动的WSMR的四轮转速各异的运动学和动力学模型。
　　 本论文的主要贡献就是突破“同侧两个车轮等速”这个假设的限制，建立起全独立驱动的WSMR的四轮转速各异的运动学和特定条件下的动力学模型，为下一步深入研究特技运动控制奠定基础。并且设计和分析了两套WSMR的机械平台，为验证和校正数学模型，研究运动控制提供了实验平台。