自动机器人轨迹控制系统及相关算法研究

论文摘要

自主移动机器人是机器人研究领域的一个重要分支。本文对双轮差动式移动机器人的轨迹控制系统进行了设计和研究,实现了对预定轨迹的控制跟踪,参与了亚太机器人大赛并圆满完成了控制任务。首先,根据比赛的任务要求对自动机器人的整体控制结构和移动机构进行了设计,然后建立了机器人的本体模型和全局坐标系,将竞赛用自动机器人简化为差动式移动机器人模型,对简化后的模型进行了运动学和动力学建模分析,并用几何分析法和非完整约束动力学方程这两种方法验证了所得运动学方程的一致性。其次,在动力学分析的基础上,对机器人的轨迹控制系统结构进行了分析设计,制定了以ARM平台为核心的分层式控制设计方案,并应用模糊控制理论设计了机器人轨迹跟踪控制器,该控制器将上层轨迹规划器产生的目标点序列作为输入参数,经处理后实时输出两驱动轮当前时刻的角速度,供底层电机驱动系统执行。再次,对该控制系统的硬件实现方法和软件控制算法进行了研究。设计了各个重要的子系统和核心平台之间的硬件接口,分析了移动机器人各个系统间的数据流程,给出了轨迹跟踪系统的重要模块和子系统的算法实现。最后,建立了轨迹跟踪系统的仿真模型,通过仿真和实验结果验证了运动学、动力学和轨迹跟踪算法的正确性,以及整个跟踪系统的有效性和可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外相关领域的研究现状与发展趋势
• 1.2 机器人的关键技术
• 1.2.1 感知技术
• 1.2.2 路径规划技术
• 1.2.3 轨迹跟踪技术
• 1.2.4 结构设计技术
• 1.3 论文的主要研究内容及章节安排
• 第二章 自动机器人的整体功能
• 2.1 亚太机器人大赛的主题和规则
• 2.2 自动机器人的系统整体功能
• 2.3 自动机器人的控制结构设计
• 2.4 自动机器人的移动机构设计
• 第三章 自动机器人动力学建模与分析
• 3.1 自动机器人的简化模型
• 3.2 驱动轮的运动学约束
• 3.3 机器人的运动学模型
• 3.4 机器人的动力学模型
• 第四章 自动机器人轨迹控制系统设计
• 4.1 移动机器人的路径规划
• 4.1.1 道路图路径规划
• 4.1.2 单元分解路径规划
• 4.1.3 势场路径规划
• 4.2 自动机器人轨迹控制系统的结构
• 4.3 模糊控制的基本原理
• 4.4 基于模糊控制的轨迹跟踪
• 4.4.1 模糊控制器的变量及论域
• 4.4.2 语言变量和模糊集
• 4.4.3 隶属度函数的确定
• 4.4.4 建立模糊控制规则库
• 4.4.5 模糊推理和解模糊
• 第五章 控制算法的软硬件实现
• 5.1 核心控制单元
• 5.2 电机驱动单元
• 5.3 传感器单元
• 5.4 控制流程和算法
• 5.4.1 各子系统之间的数据流程
• 5.4.2 参数处理模块的算法流程
• 5.4.3 角度调整模块算法流程
• 5.4.4 模糊控制器的算法实现
• 第六章 系统仿真和场地实验
• 6.1 模糊控制器的设置步骤
• 6.2 在 Simulink 中建立仿真模型
• 6.3 发现的问题和算法改进
• 6.4 场地实验
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 在学期间取得的研究成果