煤矿救援机器人姿态检测与控制研究

论文摘要

针对本课题组自主研发的六履带式煤矿救援机器人在复杂环境下的姿态检测与控制问题,提出了煤矿救援机器人在非平整地面上运行的位姿分析、检测与控制方法,进行了系统的软硬件研发。根据煤矿救援机器人的运动机构特点和姿态变化,建立齐次坐标系下煤矿救援机器人在非结构化环境中的运动学、动力学模型,得出运动学和动力学方程。推导出煤矿救援机器人躯体与摆臂姿态之间的运动学正解和逆解,得出摆臂的姿态变化与躯体姿态之间的运动学关系。应用拉格朗日方程建立起摆臂旋转关节的动力学方程,得出摆臂旋转关节处的转矩与摆臂转角之间的关系。针对煤矿救援机器人在复杂地形条件下的失稳姿态,根据转矩平衡原理确定了其姿态稳定性范围。根据位姿分析的需求,采用模块化思想开发了煤矿救援机器人姿态检测与控制系统的硬件和软件。硬件部分包括姿态检测模块和姿态控制模块。姿态检测模块采用电子罗盘对机器人躯体进行姿态数据采集,采用电流与转矩的反馈对摆臂进行姿态检测。姿态控制模块以ATmega8单片机为控制核心,进行驱动电机控制,电流采集以及RS-232通信接口电路设计等。软件部分包括上位机软件和下位机软件,上位机运用VC++编写数据处理程序,下位机采用专门针对AVR单片机设计的C语言编译器ICCAVR进行开发。为抑制磁场干扰,采用椭圆假设法对电子罗盘所采集的姿态数据进行补偿。为消除电流信号采样过程中的噪声,采用去极值均值算法进行滤波。在所搭建的软硬件系统基础上,采用模糊控制策略对煤矿救援机器人进行了一系列的实验,实验分析结果表明,本文所开发的系统具有较高的检测精度和运行稳定性,能够满足煤矿救援机器人姿态检测控制的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 煤矿救援机器人研究概况
• 1.2.2 煤矿救援机器人的姿态检测控制研究现状
• 1.3 本课题的研究意义和研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 2 煤矿救援机器人总体结构与姿态变化原理
• 2.1 煤矿救援机器人的总体结构
• 2.2 救援机器人姿态变化调整
• 2.2.1 摆臂的姿态变化
• 2.2.2 姿态调整
• 2.3 本章小结
• 3 救援机器人的姿态运动学和动力学分析
• 3.1 运动姿态的齐次表示
• 3.1.1 齐次坐标
• 3.1.2 平移齐次坐标
• 3.1.3 旋转齐次坐标变换
• 3.1.4 用RPY 组合变换表示运动姿态
• 3.2 机器人运动学模型分析
• 3.2.1 建立坐标系
• 3.2.2 运动学正解
• 3.2.3 运动学逆解
• 3.3 摆臂与躯体之间的关系
• 3.4 摆臂结构的动力学分析
• 3.5 姿态稳定性分析
• 3.6 本章小结
• 4 煤矿救援机器人姿态检测控制系统
• 4.1 煤矿救援机器人姿态检测控制系统总体设计
• 4.1.1 上位机选择
• 4.1.2 RS-232 数据传输模块
• 4.1.3 下位机选择
• 4.1.4 驱动电机的选择
• 4.2 控制系统硬件设计
• 4.2.1 主控电路
• 4.2.2 调速控制
• 4.2.3 摆臂位置控制
• 4.2.4 通信接口电路
• 4.2.5 系统电源设计
• 4.3 检测系统硬件设计
• 4.3.1 躯体位姿检测
• 4.3.2 位置/速度检测
• 4.3.3 电流检测
• 4.3.4 过载保护
• 4.4 硬件抗干扰设计
• 4.5 本章小结
• 5 检测控制系统软件设计
• 5.1 系统软件总体方案
• 5.2 下位机软件设计
• 5.2.1 异步串行通信
• 5.2.2 主驱动模块设计
• 5.2.3 摆臂驱动模块设计
• 5.2.4 ADC 采样模块
• 5.3 上位机软件设计
• 5.3.1 串行通信的实现
• 5.3.2 姿态数据处理
• 5.4 模糊控制
• 5.4.1 输入输出变量定义
• 5.4.2 模糊规则表的确定
• 5.4.3 反模糊化
• 5.5 软件抗干扰设计
• 5.6 本章小结
• 6 系统实验与结果分析
• 6.1 姿态数据分析
• 6.2 电流反馈数据分析
• 6.3 爬坡越障实验
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录