三轮全向足球机器人控制算法研究

论文摘要

机器人足球涉及数字图像处理、模式识别、机器人控制、人工智能、多智能体协作等诸多领域,既是这些领域的研究热点,同时也是难点。中型组足球机器人比赛（Middle Size League）作为机器人足球世界杯（RoboCup）的重要组成部分,为运动控制系统相关理论和技术的研究提供了一个标准的测试平台。本文针对RoboCup中型组三轮全向驱动足球机器人的控制算法进行了研究。首先,建立了三轮全向足球机器人的多种非线性系统模型,并分析了基本运动特性。其次,在分析控制任务的基础上,选择基于运动学模型的分层控制作为机器人系统的控制方案。同时设计了以“笔记本电脑+DSP多轴驱动卡+驱动器”为实现方式的运动控制系统和基于桥式驱动电路的三轮全向足球机器人驱动系统。再次,为了验证底层运动控制系统的可行性,在证明系统状态完全能控的基础上,设计了基于误差累积因子的论域自调整模糊控制算法,仿真及实验结果表明该控制算法合理、可行、有效。最后,根据控制任务的要求,设计了基于动态反馈线性化的轨迹跟踪控制算法。仿真实验表明该算法能使机器人快速、准确地跟踪期望轨迹,满足了RoboCup中型组机器人在比赛时对轨迹跟踪控制的要求。另外,本文根据机器人足球比赛的实际要求,提出了一种基于纯滚动理论的直线行走方法,可以使机器人实现复杂的动作,具有现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文研究的背景和意义
• 1.1.1 机器人足球简介
• 1.1.2 轮式全向驱动系统在机器人足球中的应用
• 1.1.3 课题研究的理论和现实意义
• 1.2 论文研究的主要问题
• 1.3 RoboCup 中型组足球机器人系统简介
• 1.4 足球机器人的研究现状
• 1.5 论文的主要内容及组织结构
• 1.6 本章小结
• 第二章 三轮全向足球机器人的系统建模
• 2.1 单个轮子的运动分析
• 2.2 轮式移动机器人的运动分析
• 2.3 轮式移动机器人的动力学模型
• 2.4 三轮全向足球机器人系统模型
• 2.4.1 三轮全向足球机器人运动学模型
• 2.4.2 三轮全向足球机器人动力学模型
• 2.4.3 基于极坐标的系统模型
• 2.5 三轮全向足球机器人运动特性分析
• 2.6 本章小结
• 第三章 三轮全向足球机器人控制系统设计
• 3.1 三轮全向足球机器人主要控制任务
• 3.2 三轮全向足球机器人的控制方案
• 3.2.1 三轮全向足球机器人控制方案
• 3.2.2 控制方案的选择
• 3.3 三轮全向足球机器人控制系统设计
• 3.3.1 上层控制系统设计
• 3.3.2 底层控制系统设计与实现
• 3.4 三轮全向足球机器人驱动系统设计
• 3.4.1 驱动系统设计
• 3.4.2 驱动电机的选择
• 3.5 本章小结
• 第四章 RoboCup 中型组足球机器人运动控制算法
• 4.1 问题的提出
• 4.2 三轮全向足球机器人的能控性分析
• 4.3 基于误差累积因子的论域自调整模糊控制算法设计
• 4.3.1 基于逆运动学模型的输入变换解耦
• 4.3.2 二维模糊控制器设计
• 4.3.3 论域自调整伸缩因子设计
• 4.3.4 基于路径的误差累积因子设计
• 4.4 仿真及实验结果
• 4.4.1 单个电机仿真及实验结果
• 4.4.2 运动控制系统实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 足球机器人轨迹跟踪控制
• 5.1 基于动态反馈线性化轨迹跟踪控制器的设计
• 5.1.1 轨迹跟踪误差系统的建立
• 5.1.2 状态反馈控制器的设计
• 5.1.3 椭圆轨迹设计
• 5.2 仿真结果
• 5.3 本章小结
• 第六章 直线行走技术改进
• 6.1 问题的提出
• 6.2 直线行走分析
• 6.2.1 直线行走坐标变换
• 6.2.2 平面坐标系下机器人纯滚动分析
• 6.2.3 动作实现
• 6.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读硕士学位期间发表论文目录）
• 详细摘要