多轮独立驱动轮式移动机器人驱动控制研究

论文摘要

随着轮边驱动系统、计算机技术和控制理论的发展和成熟,独立驱动轮式移动机器人正逐步向着高效、多功能方向发展,并逐步开始在军用领域和民用领域得到大量的应用。由于轮边驱动系统的诞生而带来的轮式移动机器人内部结构的变化和受控性的改变,在科研领域有着重要的意义。本文以四轮和八轮独立驱动轮式移动机器人为例,在对其车轮和车体进行受力分析的基础上,重点对牵引力控制方法和动力学控制方法展开了研究,目的是对多轮独立驱动轮式移动机器人的驱动控制方法进行研究,研究的内容主要包括如下方面:研究了3自由度车体动力学模型和车轮动力学模型。针对独立驱动轮式移动机器人每只车轮可以独立受控,且可以精确控制转矩和转速的特点,分析了车轮和路面之间切向力及横向力的传递特性,引入了滑移率和摩擦系数的概念来表征车轮驱动或制动时车轮和路面之间力的传递情况;在对四轮独立驱动轮式移动机器人进行受力分析的基础上,建立了3自由度车体动力学模型。研究了基于车轮转矩分配的动力学稳定性控制算法。通过监控机器人每只车轮的滑转情况,调整车轮输出力矩,分配车轮的纵向力和横向力的分布及幅度,产生横摆力矩,使车辆保持一定的动力学特性,保持行驶的稳定性。研究了驱动防滑控制方法。研究了基于最优滑移率和模型跟踪的控制算法的基本原理,建立1/4机器人模型,分别利用两种控制算法对多轮驱动轮式移动机器人进行牵引力控制,进行了仿真实验,比较了两种算法的性能。星形轮式移动机器人的设计与实现。设计并实现了一种直接电传动电驱动星形轮式移动机器人。该星形轮式机器人是一种独特的独立电驱动,独立电传动的机器人。完成了该星形轮式机器人的机械结构设计及工程实施,对应的实现结构已经申请了两项专利。完成了该机器人的轮组控制器的设计与实现,并且初步实现了该移动机器人的运动控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多轮独立驱动轮式移动机器人发展现状
• 1.2.2 运动控制技术
• 1.3 多轮独立驱动轮式移动机器人与汽车的技术差别
• 1.4 多轮独立驱动轮式移动机器人关键技术分析
• 1.4.1 电机及其控制技术
• 1.4.2 驱动防滑控制技术
• 1.4.3 动力学控制技术
• 1.4.4 实时路面附着情况估计
• 1.5 论文主要工作
• 1.6 论文组织结构
• 第二章 多轮独立驱动轮式移动机器人模型
• 2.1 引言
• 2.2 多轮独立驱动移动机器人运动学
• 2.3 轮式移动机器人动力学模型
• 2.4 车轮动力学
• 2.4.1 车轮轮胎坐标系
• 2.4.2 车轮滚动阻力
• 2.4.3 车轮动力学模型
• 2.5 本章小结
• 第三章 多轮独立驱动轮式移动机器人动力学稳定性控制
• 3.1 引言
• 3.2 多轮独立驱动轮式移动机器人侧滑产生
• 3.3 多轮独立驱动轮式移动机器人动力学控制方法
• 3.3.1 车身动力学控制器
• 3.3.2 车轮转矩估算
• 3.4 仿真实验分析与讨论
• 3.5 本章小结
• 第四章 多轮独立驱动轮式移动机器人车轮驱动防滑控制
• 4.1 引言
• 4.2 路面附着特性估计与滑移率估计
• 4.3 驱动防滑控制方法
• 4.3.1 基于最优滑移率的驱动防滑控制方法
• 4.3.2 基于模型跟踪的驱动防滑控制方法
• 4.4 仿真实验与结果讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 多轮独立驱动轮式移动机器人运动控制实现
• 5.1 引言
• 5.2 直接电传动电驱动星形轮式移动机器人机构设计
• 5.2.1 全电驱动星形轮
• 5.2.2 直接电传动电驱动星形轮式移动机器人车身设计
• 5.3 轮式移动机器人运动控制系统设计
• 5.3.1 轮式移动机器人运动控制器
• 5.3.2 星形轮控制器
• 5.4 直接电传动电驱动星形轮式移动机器人控制算法设计
• 5.4.1 运动控制算法设计
• 5.4.2 越障算法设计
• 5.5 实验与结果讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 进一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果