电缆隧道巡检机器人混杂防摆控制

摘要

本文针对电缆隧道巡检机器人的防摆控制问题进行研究。由于其运行轨道随着隧道环境的变化而起伏多变，具有上下斜坡等特殊路段，导致机器人在巡检过程中机身连续摆动，从而严重影响视觉信号的采集，造成失焦或运动模糊等问题。这无疑是隧道机器人巡检技术推广应用中的一大障碍。有效的控制摆动振幅、减小余摆对提高巡检效率、增大巡检安全保证具有重要的意义。 本文在研究巡检机器人防摆控制问题中所做的工作内容如下: (1)从分析动力学角度对巡检机器人系统进行受力分析，利用拉格朗日第二力学方程对巡检机器人系统进行建模，并在此基础上研究车体摆动的影响因素。 (2)针对巡检机器人系统在平面与斜坡轨道运行时的摆动问题，设计了混杂防摆控制系统。考虑到混杂系统的两部分有其各自特点和要求，针对平面运动和斜坡运动过程分别采用模糊逻辑控制方法和速度转换方法。首先，应用模糊控制机理，设计了模糊逻辑控制器应用于平面防摆问题，然后，针对斜坡防摆问题，采用速度转换控制方法控制机身摆动，消除余摆。同时设计严格的转换条件在平面和斜坡运动之间精确切换，进而构成混杂控制系统，并对系统稳定性进行验证。 (3)利用MATLAB环境下的Simulink工具箱，对设计的混杂防摆控制系统进行仿真研究，对比了在理想速度曲线和混杂防摆控制下的响应曲线，并对仿真结果进行分析。 (4)在硬件基础上实现了混杂防摆控制系统，对巡检机器人系统的防摆控制效果进行验证。详细设计了系统方案，包括硬件设备和软件流程两部分内容。 通过实验，对比了采取控制策略前后的摆动及速度跟踪情况，实验结果表明，该控制系统实现了车体的精确定位和摆角控制，实际应用效果良好。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 课题的研究背景及来源

1．2 研究现状

1．2．1 隧道巡检机器人的研究现状

1．2．2 防摆控制算法的研究现状

1．3 研究思路和论文内容

第2章 巡检机器人系统的模型建立

2．1 引言

2．2 隧道巡检机器人的结构

2．3 基于拉格朗日方程的系统动力学建模

2．3．1 系统的动力学建模

2．3．2 模型的线性化及简化

2．3．2 系统传递函数和状态方程

2．3．3 系统参数确定

2．4 本章小结

第3章 混杂防摆控制系统设计

3．1 引言

3．2 模糊逻辑控制器设计

3．2．1 防摆机理

3．2．2 输入输出变量及其隶属函数的确定

3．2．3 控制规则

3．2．4 去模糊化输出

3．3 速度转换控制器设计

3．4 混杂控制系统设计

3．4．1 连续和离散部分

3．4．2 转换条件

3．5 混杂系统的稳定性分析

3．6 本章小结

第4章 混杂防摆控制系统仿真实验

4．1 引言

4．2 仿真工具

4．2．1 MATLAB软件

4．2．2 Simulink平台和混杂控制工具箱

4．3 理想速度曲线下的开环响应仿真

4．4 混杂防摆控制下的响应仿真

4．4．1 平面运动部分的控制器仿真

4．4．2 斜面运动部分的控制器仿真

4．4．3 混杂防摆控制器仿真

4．5 本章小结

第5章 混杂防摆控制系统实现

5．1 引言

5．2 系统总体方案

5．3 硬件系统组成

5．3．1 主控计算机

5．3．2 单片机

5．3．3 调速及拖动装置

5．3．4 通讯装置

5．3．5 数据采集系统

5．4 软件系统设计

5．5 实验及结果分析

5．6 本章小结

总结及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参与科研情况