独轮悬挂式隧道巡检机器人能量补给与增稳控制研究

摘要

本文主要研究独轮悬挂式隧道巡检机器人的防摆增稳控制及能量补给问题。电缆隧道巡检机器人运行过程中必须实时在线监测隧道内部情况，但由于运行方式及隧道环境、路线等限制，隧道机器人在巡检过程中存在运动稳定性保持和电能定期补给等问题。运动的不稳定会影响到视频设备图像采集，造成失焦、运动模糊或噪声等不良效果，而且还可能影响到机身设备的寿命。而隧道环境下机器人的电能补给方式、间隔等处理不当则会使机器人巡检任务无法持续不间断地进行下去。
　　对于机器人防摆增稳控制问题，论文通过对独轮悬挂式运动系统进行建模，确定了导致机器人在巡检过程中造成机身不稳定的因素，并在此基础上通过传统PID控制器分析研究了该系统的摆动规律。最后通过设计模糊防摆增稳控制器，研究了一种能更有效地抑制机器人在巡检过程中摆动的方法。
　　论文利用MATLAB中的Simulink对所设计的防摆增稳控制器进行了仿真实验与分析。仿真分析实验结果表明，本文所设计的模糊防摆增稳控制系统具有良好的控制效果，能有效地抑制悬挂式机身的摆动，使机身停止运动后，摆角在十秒内减为零，并且具有很好的鲁棒性。
　　对于独轮悬挂式隧道巡检机器人系统的能量补给问题，本文分析了各种接触有线式、无线感应式等多种电能传输方案，在深入研究低频分体变压器无线充电基本构架后，设计了非接触式自动无线充电装置，包括充电站自动探测、充电站激活、充电站释放等环节，文中详细介绍了该充电模块的各部分组成，为方案的可行性提供依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的研究背景及其来源

1．2 隧道移动巡检机器人国内外研究现状及发展动态分析

1．2．1 增稳控制算法的研究现状

1．2．2 能量补给的研究现状

1．3 研究思路和本文主要工作

第2章 隧道巡检机器人防摆增稳控制系统建模

2．1 引言

2．2 独轮悬挂式隧道巡检机器人的物理结构

2．3 基于拉格朗日方程的动力学模型建立

2．3．1 巡检机器人系统的动力学模型建立

2．3．2 动力学模型的线性化及其简化

2．3．3 系统的传递函数及状态方程

2．3．4 系统各参数确定

2．4 本章小结

第3章 隧道巡检机器人防摆增稳控制器的设计

3．1 引言

3．2 传统PID控制器验证巡检机器人系统的摆动性

3．2．1 隧道机器人系统仿真模型的建立与封装

3．2．2 传统PID控制器的结构

3．2．3 传统PID控制器的设计与仿真

3．3 隧道机器人模糊防摆增稳控制器设计

3．3．1 模糊控制算法的基本思想

3．3．2 模糊控制器输入变量、输出变量及其隶属函数的确定

3．3．3 模糊控制规则的确立

3．3．4 模糊推理与解模糊化输出

3．3．5 输入、输出变量的基本论域、离散语言变量论域的确定

3．4 本章小结

第4章 隧道巡检机器人防摆增稳控制的仿真实验

4．1 引言

4．2 模糊防摆增稳机理

4．3 水平面运动部分的模糊控制器仿真

4．4 本章小结

第5章 隧道巡检机器人能量补给方案

5．1 引言

5．2 无线电能补给方案分析

5．3 电磁感应式无线电能传输方案构造

5．4 非接触式自动无线充电装置

5．4．1 非接触式自动无线充电装置构架

5．4．2 非接触式自动无线充电装置整体电路图及工作原理分析

5．5 章小结

第6章 总结及展望

6．1 结论及主要创新点

6．2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢