连续切换全向轮及其移动机器人的各向异性分析及优化控制

摘要

全方位移动机器人属于平面三自由度全方位移动系统，具有运动灵活的特点，适合在狭窄的空间内运动。全方位轮是构成移动机器人的关键因素，是主要的运动机构。目前，推广应用较多的全向轮是Mecanum轮，但Mecanum有其自身的缺点，其制作相对困难，运动过程中因接触点轴向移动存在“震动”现象。为此，本文另辟蹊径，采用连续切换全向轮的方案，并提出了一种单排连续切换全向轮的优化结构，研制相应移动机器人，进而研究此类全向轮的各向异性及其对机器人的轮系布局方式、自锁特性的影响，最后分析此类移动机器人的驱动控制特点，并提出优化的控制策略。
　　论文的主要研究内容及其结果如下:
　　1.提出了一种优化的连续切换全向轮结构，分析基于此轮的全方位移动机器人轮系布局问题。首先给出了连续切换全向轮的结构，通过Y型支架连接大小辊子，具有结构简单、安装方便等特点。分析并总结了用连续切换全向轮构成全方位移动机器人的规则和条件，并给出了三轮、四轮以及六轮能实现全方位运动的排布方式。从驱动能力、车体稳定性、系统可控性等角度分析，证明采用四轮的排布方式相对较优。
　　2.介绍了移动机器人电气控制系统的设计与实现。分析对比了现阶段应用在移动机器人的不同控制方法，包括主控器选型、通讯方式、电机驱动器种类等问题。考虑到移动机器人的特点，采用并实现了适合应用在该移动机器人上的电气控制系统，并介绍了主要的软件设计思路。
　　3.分析了连续切换全向轮和基于此的移动机器人运动的各向异性，主要有:
　　(1)分析了移动机器人在驻停时的自锁特性。分析了全向轮运动过程中不同接触点摩擦力的组成形式，并建立斜面的实验系统，实测摩擦系数与地面介质、接触点等的关系，进而给出此全向轮的自锁角（摩擦角），从理论和实验上解决了移动机器人各个运动方向的自锁特性。
　　(2)从运动学方程出发，分析了移动机器人速度的各向相异性。理论计算可得移动机器人的速度朝各个方向运动是不同的，并用ADAMS软件进行仿真，仿真结果与理论计算的结果相吻合。
　　(3)根据非完整系统的劳斯方程，建立了全向轮机器人的动力学方程，理论和实验分析了移动机器人各个方向运动加速度的各向相异性。给出了车体在斜面运动时不发生后翻和侧翻的条件，用ADAMS软件进行仿真验证了模型，为此类系统的设计和控制提供了理论基础。
　　4.针对基于连续切换全向轮移动机器人的特点，提出了优化的控制方法。具体为:
　　(1)分析了四轮驱动移动机器人的冗余特性和驱动特性，在一些特殊方向可采用力矩和速度的双PI控制。四轮驱动的移动机器人是个冗余系统，针对移动机器人运动过程中四个轮子相互挤压（挤压是指电机的作用力对移动机器人运动无实质贡献，只是磨损机器人与轮子的连接部件）的问题，建立了车体速度与电机输出力矩同时控制的PI控制系统，实验结果表明:移动机器人沿正向运动时（正向指速度方向与相邻轮子轴线垂直），效率能提高13％左右，当移动机器人沿斜向运动时（斜向指速度方向与相邻轮子轴线成45°），效率能提高6％左右，同时车体速度的稳定性也得到了相应的提高。
　　(2)从能量最省角度讨论了移动机器人加速过程中力矩分配的问题。从移动机器人动力学方程出发，增加了效率最大化的约束方程。从理论和实验分析可得，相对于其他的控制方法，基于效率最大化的力矩分配方式在移动机器人加速过程中效率能提高2％～3％左右。

目录

声明

致谢

摘要

缩写、符号清单、术语表

1 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 全向轮及其移动机器人的发展简史

1．3 全向轮结构分析

1．3．1 球轮

1．3．2 正交轮

1．3．3 驱动全向轮

1．3．4 Mecanum轮

1．3．5 连续切换轮

1．4 移动机器人结构设计与优化

1．5 移动机器人控制技术

1．6 面临的科学和技术问题

1．7 研究目标和主要研究内容

2 连续切换全向轮结构与布局方式

2．1 引言

2．2 连续切换全向轮及其机器人驱动单元的结构设计

2．3 连续切换全向轮移动机器人的布局方式

2．3．1 全向轮与系统速度的映射关系

2．3．2 多轮驱动的轮子布局选择

2．4 小结

3 移动机器人多轴运动控制系统的设计与实现

3．1 电气控制系统的功能

3．2 硬件部分的设计

3．2．1 电机与电机驱动器

3．2．2 主控器与电机驱动器的通讯

3．2．3 主控器

3．2．4 传感器

3．3 软件部分的设计

3．3．1 程序设计框图

3．3．2 单个电机控制程序

3．4 小结

4 连续切换全向轮及其移动机器人的自锁特性

4．1 引言

4．2 连续切换全向轮的摩擦特性

4．2．1 连续切换全向轮的摩擦类型

4．2．2 两类摩擦的摩擦系数测量

4．3 连续切换全向轮的自锁特性

4．4 移动机器人的自锁特性

4．4．1 移动机器人的受力分析

4．4．2 移动机器人在平面上的自锁特性

4．4．3 移动机器人在斜面上的自锁特性

4．5 小结

5 全向轮移动机器人运动的各向相异性及稳定性分析

5．1 引言

5．2 各向相异性分析

5．2．1 车体速度各向异性分析

5．2．2 车体加速度各向异性分析

5．3 运动稳定性分析

5．4 小结

6 移动机器人运动方式的优化控制

6．1 问题提出

6．2 移动机器人各向运动受力分析

6．3 移动机器人各向可控性分析

6．4 移动机器人运动力矩分配的研究

6．4．1 移动机器人沿α为45°方向运动

6．4．2 移动机器人沿XM方向运动

6．5 基于PI控制器的移动机器人速度与电机输出力矩控制

6．5．1 小结

7 基于效率最大化的移动机器人力矩控制

7．1 引言

7．2 车体总功率P分析

7．3 车体动力学方程

7．4 力矩分配方式的比较

7．4．1 直线运动

7．4．2 曲线运动

7．4．3 原地旋转

7．5 实验分析

7．5．1 直线运动

7．5．2 曲线运动

7．5．3 原地旋转

7．6 小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

参考文献

个人简历