轮腿复合式机器人控制系统设计及越障分析

论文摘要

在现代战争中,各国都在尽力追求“零死亡”,在达到预期的军事目的情况下,要求伤亡率降到最低。在这种军事需求的牵引下,无人部队,包括无人飞机、无人地面武器搭载平台等将成为未来战争中的一支重要的力量。本文结合实验室项目“轮腿复合式机器人”,初步完成了以下的研究工作:首先完成了轮腿复合式机器人控制系统的设计、安装以及调试工作。该机器人采用六套轮腿机构,每套轮腿机构分别由摆腿电机和行走电机控制机器人摆腿和车轮的运动。控制系统分为嵌入式计算机控制系统和运动控制器。嵌入式计算机控制系统实现机器人平面运动及越障算法,生成电机运动指令,如速度、位置等信息;运动控制器完成电机的运动控制,包括速度PID和位置PID等,二者采用CAN总线通信。其次完成了轮腿复合式机器人运动学建模及分析。机器人的运动学分为两部分:平面行驶运动学和空间位姿运动学。平面行驶运动学中,建立了机器人差速转向的运动学模型,设计运动轨迹分析机器人车轮的速度分布。空间位姿运动学中,建立了机器人通用的空间运动学模型和质心运动学模型,并且针对机器人在越障过程中会出现的特殊姿态,简化了通用的质心运动学模型,得到不同的特殊姿态下的质心运动学模型,为机器人的越障稳定性控制提供了依据。再次完成了轮腿复合式机器人针对典型障碍的越障分析。针对垂直障碍、壕沟障碍、斜坡障碍三种典型障碍,分析了机器人的越障能力,规划了机器人的越障动作,提出了综合考虑越障裕度、越障安全及越障稳定性的优化方法,对机器人的越障姿态进行数值优化。在ADAMS中对所规划的机器人越障动作进行虚拟仿真,验证了所规划越障动作的正确性。最后,编制了控制机器人的人机交互界面,完成了机器人平面行驶运动学及越障实验,验证了本文提出的机器人控制理论的正确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外轮腿复合式机器人研究现状
• 1.2.1 轮腿复合式机器人研究现状及分析
• 1.2.2 轮腿复合式机器人控制系统研究现状及分析
• 1.3 课题来源与研究内容
• 第2章 轮腿复合式机器人控制系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 轮腿复合式机器人介绍
• 2.2.1 机器人结构本体介绍
• 2.2.2 机器人控制系统介绍
• 2.2.3 运动控制器的介绍
• 2.3 可编程逻辑器件程序设计
• 2.3.1 光电码盘信号四倍频设计
• 2.3.2 SPI 串行通信设计
• 2.4 运动控制核心程序设计
• 2.4.1 程序总体设计
• 2.4.2 电机码盘计数防溢出算法
• 2.4.3 电机速度控制算法
• 2.4.4 电机位置控制算法
• 2.5 CAN 通信设计
• 2.5.1 嵌入式计算机中的CAN 通信设计
• 2.5.2 运动控制器的CAN 通信设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 机器人运动学建模及分析
• 3.1 引言
• 3.2 平面运动学分析
• 3.2.1 同向差速运动学分析
• 3.2.2 反向差速运动学分析
• 3.2.3 平面运动学的轨迹规划及仿真
• 3.3 机器人的空间位姿运动学分析
• 3.4 特殊姿态运动学模型
• 3.4.1 六轮支撑的运动学模型
• 3.4.2 中后轮支撑运动学模型
• 3.4.3 前后腿支撑的运动学模型
• 3.4.4 车体倾斜运动学模型
• 3.4.5 车体倾斜俯仰结合的运动学模型
• 3.5 本章小结
• 第4章 典型障碍越障分析
• 4.1 引言
• 4.2 机器人越障动作规划
• 4.2.1 垂直障碍越障动作规划
• 4.2.2 壕沟障碍越障动作规划
• 4.2.3 斜面越障动作规划
• 4.3 越障能力分析
• 4.3.1 垂直障碍越障能力分析
• 4.3.2 壕沟障碍越障能力分析
• 4.3.3 斜坡上越障能力分析
• 4.4 越障关键姿态分析
• 4.4.1 机器人越障的关键姿态分析
• 4.4.2 内点惩罚函数法优化目标函数
• 4.5 机器人越障虚拟仿真
• 4.5.1 攀越垂直障碍虚拟仿真
• 4.5.2 跨越壕沟障碍虚拟仿真
• 4.5.3 斜面越障虚拟仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 行走及越障实验
• 5.1 引言
• 5.2 人机交互界面
• 5.3 机器人行走实验
• 5.4 越障实验
• 5.4.1 攀越垂直障碍实验
• 5.4.2 壕沟障碍越障实验
• 5.4.3 斜坡障碍越障实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢