崎岖地面移动机器人运动与估计关键技术研究

论文摘要

随着现代化技术的发展,对机器人的研究也日益加深,特别是崎岖地面上的移动机器人技术已经成为研究的一个热点。本课题在国家自然科学基金项目“轮式机器人在崎岖地面的低能耗通过性控制的方法研究(60775060)”的支持下,搭建崎岖地面移动机器人控制系统,研究机器人运动学及相关特性,对机器人车体及轮地接触等相关信息做出探索。首先,在综合目前国内外移动机器人控制系统研究现状和发展趋势的前提下,搭建一种结构简单,易于实现,可移植,兼容性好,稳定性强的移动机器人控制系统。课题选择了带有PC/104总线的工控机作为主控单元,以CAN总线作为电机驱动器控制总线,转向舵机控制卡控制转向电机、IMU单元等控制器和传感器作为辅助设备,目的是能够良好的控制移动机器人的动作,同时能够以直接或间接方式得到移动机器人的姿态,接地角以及驱动电机的电流,转速等相关信息。其次,根据现有移动机器人平台,应用坐标变换的方法,建立运动学模型,并分析其相关特性。在运动学建模的过程中,考虑滑转和滑移以及接地角；针对移动机器人平台前后倾角及侧倾角可以调节的特点,在运动学模型建立过程中做出相关推导；此外,分析前后倾角及侧倾角的调节对车体运动带来的影响。基于运动学推导移动机器人常用的几种机动模式控制方法。第三,基于运动学模型及刚体运动原理,在地形已知的情况下,对轮地接触角(简称接地角)估计做出仿真研究,在地形未知的情况下给出接地角估计公式,针对IMU及关节码盘等传感器回读的数值与真值之间存在偏差的情况,采用UKF滤波的方法进行滤波,减小偏差,使得对于姿态和接地角等信息的估计更加准确。另外,基于运动学的原理,推导带有从动第五轮的机器人滑转率估计方法。最后,课题对几种常用机动模式分别进行硬地与沙地行走实验,验证控制系统硬件的稳定性,同时验证控制软件的有效性。此外,进行崎岖地面试验台行走实验与沙地典型崎岖地面行走实验,验证接地角估计算法与滑转率估计算法。在上述实验过程中,均采集车体俯仰、横滚、偏航角度,各驱动电机转速、电流等信息,并进行分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的与意义
• 1.2 移动机器人控制系统发展现状
• 1.3 轮式移动机器人运动学研究现状
• 1.4 轮式移动机器人状态估计研究现状
• 1.4.1 各种状态估计及方法
• 1.4.2 移动机器人状态估计的发展趋势及难点
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 轮式移动机器人控制系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 控制系统设计总体方案
• 2.3 控制系统部件
• 2.3.1 嵌入式工控机系统
• 2.3.2 转向控制子系统
• 2.3.3 驱动控制子系统
• 2.3.4 其它部件
• 2.4 驱动器的标定与测试
• 2.4.1 驱动器标定简介
• 2.4.2 驱动器标定过程
• 2.5 驱动轮的安装调试
• 2.6 控制系统稳定性设计
• 2.7 控制系统的软件设计
• 2.8 本章小结
• 第3章 机器人运动学及其特性
• 3.1 引言
• 3.2 被动关节轮式移动机器人验证平台的特点
• 3.3 基于坐标变换的运动学模型
• 3.3.1 建模的几点假设与表示方法
• 3.3.2 坐标系及其关系
• 3.3.3 正运动学模型的建立
• 3.3.4 逆运动学模型的建立
• 3.3.5 车轮前后倾角与侧倾角对运动学特性的影响
• 3.4 基于运动学模型的几种常用的机动方式
• 3.4.1 直行方式
• 3.4.2 差速转向方式与原地差速转向方式
• 3.4.3 艾克曼机动方式
• 3.4.4 双艾克曼机动方式
• 3.4.5 原地转向机动方式
• 3.4.6 全方位机动方式
• 3.5 本章小结
• 第4章 接地角与滑转率估计
• 4.1 引言
• 4.2 UKF滤波器在机器人状态估计中的应用
• 4.3 接地角估计仿真
• 4.4 接地角的估计方法
• 4.4.1 基于运动学的接触角估计方法
• 4.4.2 基于机器人空间刚体速度的接地角估计方法
• 4.5 滑转率估计方法
• 4.6 本章小结
• 第5章 实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 平坦地面实验
• 5.2.1 直线机动方式实验
• 5.2.2 差速转向机动方式实验
• 5.2.3 差速原地转向方式实验
• 5.2.4 艾克曼机动方式实验
• 5.2.5 双艾克曼机动方式实验
• 5.2.6 原地转向机动方式实验
• 5.2.7 全方位机动方式
• 5.3 崎岖地面与接地角估计实验
• 5.3.1 左右对称地形实验
• 5.3.2 左右非对称地形实验
• 5.4 沙地越障实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢