可重构多机动模式移动机器人及其关键技术研究

论文摘要

随着移动机器人在诸如战场、医疗、服务等领域的应用日趋广泛和行星探测时代的来临,对未知环境中自主移动机器人技术与理论的需求日益增长。未知环境是指未知几何构造、未知地面地形地貌以及含有其它未知因素的环境;机器人对环境一无所知,无任何先验信息,且环境中不存在路标、灯塔等人为参照物;从空间角度看,通常是三维的。要在这样或类似的环境中研究移动机器人自主导航的理论与技术,拥有一个具有稳定性、通过性、越障性、可靠性和机动性的硬件移动平台绝对是必要的,因为任何先进的算法和理论都需要通过高机动性和高通过能力的载体来实现。本文针对“未知环境中自主工作智能移动机器人导航系统研究”的国家863项目,在综述国内外关于移动机器人走行部拓扑结构、控制体系、机动性和通过性等移动机器人的相关理论和关键技术的基础上,综合利用精密机械、网络通信、传感技术等学科的技术,研制开发出一种多机动模式可重构移动机器人。对所涉及的移动机器人的相关关键技术进行了深入研究。研制一种四轮独立驱动和独立转向(4WD4WS)的移动机器人机械本体、控制系统的软硬件。机器人的重构特性可使之变换出具有不同轴距、轮距、重心高度、净空和稳定裕量的机器人构型以适应不同导航任务;而其具有仿生特性的轮子,可使机器人具有沙地通过能力。所开发的以PC104为核心、以直流电机控制网为控制底层,以管理协调子模块为枢纽的控制系统硬件和基于网络的机器人参数测控软件,为分级并行竞争式控制体系结构、小空间系统综合技术、分布式供电与电源实时管理技术的实施提供物理支撑载体。针对所研制的移动机器人可重构的特点,运用解析与投影几何方法,建立相对比较系数,从移动机器人的稳定性、几何通过性、操纵性和运动空间等角度定量地分析机器人重构构型的主要性能指标并给出重构构型优化的结果。尽管具有复合倾角的轮子(车轮有内/外倾角,轮臂有前/后倾角)在机器人与车辆中有所涉猎,但在其运动学的理论分析方面还鲜见报道。本文针对具有复合倾角的轮子的移动机器人建立空间三维运动学模型,并分析复合倾角对机器人运动学性能的影响,为以后的运动控制做理论准备。基于运动学约束,证明在理想条件下(刚性轮子和地面之间点接触并保持纯滚动)四轮独立驱动和四轮独立转向(4WD4WS)移动机器人基于瞬心的统一运动规律。提出实际条件下基于任意分布速度瞬心的移动机器人统一运动控制算法

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 移动机器人走行部结构型式的发展概述
• 1.2.1 走行部的机械拓扑结构分类
• 1.2.2 走行部的拓扑结构的发展趋势
• 1.3 全方位移动机构发展概述
• 1.3.1 全方位移动机构的结构分类
• 1.3.2 全方位移动机构的发展趋势
• 1.4 移动机器人转向系的发展概况
• 1.4.1 移动机器人转向系的分类
• 1.4.2 移动机器人转向系的发展趋势
• 1.5 移动机器人的控制系统发展概述
• 1.5.1 关于移动机器人控制器分类
• 1.5.2 移动机器人控制系统的发展趋势
• 1.6 沙地环境车轮与地面相互作用理论发展概述
• 1.6.1 车辆与地面相互作用的研究方法
• 1.6.2 移动机器人沙地通过性的研究发展现状
• 1.7 移动机器人发展过程中的几个关键技术的发展情况
• 1.7.1 关于移动机器人功能与性能多样化及量化分析的问题
• 1.7.2 轮式移动机器人在三维空间的运动学建模问题
• 1.7.3 多轮移动机器人的机动模式与转弯特性问题
• 1.7.4 崎岖地面上地形几何的估计与移动机器人运动控制问题
• 1.7.5 轮式移动机器人走行部动力分配布置的研究
• 1.8 课题来源及主要研究内容
• 1.8.1 课题来源
• 1.8.2 研究的意义与目的
• 1.8.3 本文的主要研究内容
• 第2章 多机动模式可重构移动机器人的研制
• 2.1 引言
• 2.2 移动机器人的机械系统设计
• 2.2.1 现有移动机器人的功能部件的比较评价和遴选
• 2.2.2 移动机器人的构型
• 2.3 移动机器人的重构特性
• 2.3.1 约束的重构构型（Constraint reconfigurable prototypes-CRP）
• 2.3.2 扩展的重构构型（Extensive reconfigurable prototypes-ERP）
• 2.4 移动导航机器人的多种机动模式
• 2.5 控制系统的设计
• 2.5.1 工业PC104
• 2.5.2 开放式直流电机驱动控制网
• 2.5.3 人机界面的技术与实现
• 2.5.4 分布式供电和电源实时管理
• 2.6 传感器系统的相关处理
• 2.7 小空间的系统综合技术
• 2.7.1 小空间的系统综合技术的概念和原则
• 2.7.2 小空间的系统综合技术的措施和步骤
• 2.8 移动机器人安全措施
• 2.9 测试与控制软件的研制
• 2.9.1 软件的特点和流程图
• 2.9.2 机器人的控制命令的格式
• 2.10 控制系统结构体系研究
• 2.11 本章小结
• 第3章 移动机器人重构特性分析和构型优化
• 3.1 引言
• 3.2 移动机器人重构构型
• 3.3 相对比较系数
• 3.3.1 相对比较系数的定义
• 3.3.2 采用解析投影法对扩展重构构型分析
• 3.4 重构对移动机器人性能指标的影响分析
• 3.4.1 重构对几何通过性的影响分析
• 3.4.2 重构对静态稳定性的影响分析
• 3.4.3 重构对操纵性的影响分析
• 3.4.4 重构对机器人运动空间的影响分析
• 3.5 移动机器人重构构型的优化
• 3.6 本章小结
• 第4章 复合倾角轮式移动机器人运动学建模
• 4.1 引言
• 4.2 具有内/外倾角和轮臂前/后倾角的移动机器人轮子的建模
• 4.2.1 坐标系的建立和变换
• 4.2.2 车轮内/外倾角和轮臂前/后倾角对运动学性能的影响
• 4.3 具有复合倾角轮子的移动机器人运动学建模
• 4.3.1 坐标系的建立和变换说明
• 4.3.2 坐标变换与运动学建模
• 4.4 正运动学分析
• 4.4.1 正运动学的解
• 4.4.2 不可测量参量的估计
• 4.5 逆运动学分析
• 4.5.1 运动学逆解的通用解法
• 4.5.2 运动学逆解的实用解法
• 4.6 机器人参考点位置对正运动学和逆运动学解的影响
• 4.6.1 机器人参考点位置对正运动学解的影响
• 4.6.2 机器人参考点位置对逆运动学解的影响
• 4.7 针对移动机器人走行轮动力配置的运动学逆解问题
• 4.8 本章小结
• 第5章 多机动模式移动机器人转弯特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 移动机器人速度瞬心规律
• 5.3 移动机器人相对任意瞬心转弯特性的一般控制算法
• 5.3.1 机器人相对于任意位置瞬心的控制算法
• 5.3.2 算法仿真结果
• 5.4 移动机器人相对任意瞬心转弯特性约束的控制算法
• 5.4.1 机器人相对于任意位置瞬心的约束控制算法
• 5.4.2 约束算法仿真结果
• 5.5 几种典型的机器人转弯模式公式的导出
• 5.6 实验研究
• 5.6.1 调试实验台的组成
• 5.6.2 运动实验
• 5.7 本章小结
• 第6章 地形几何估计与移动机器人运动控制研究
• 6.1 引言
• 6.2 二维模型下轮式机器人轮地接触角的估计
• 6.2.1 状态模型建立
• 6.2.2 追踪滤波器UKF 算法
• 6.2.3 仿真实例
• 6.3 三维模型下轮式机器人轮地接触角的估计与力矩控制
• 6.3.1 基于机器人逆运动学的车轮实际速度估计
• 6.3.2 移动机器人车轮沙地地面力学描述
• 6.3.3 移动机器人的力矩控制
• 6.3.4 仿真实例
• 6.4 本章小结
• 第7章 非满秩动力配置矩阵及机器人通过性研究
• 7.1 引言
• 7.2 移动机器人走行轮组的动力配置矩阵
• 7.3 机器人路径的分解与运动的分解
• 7.3.1 路径的分解
• 7.3.2 运动的分解
• 7.4 基于非满秩动力配置矩阵（DCM）的机器人控制策略
• 7.4.1 机器人具有一个非动力走行轮时的通过性研究（情形一）
• 7.4.2 机器人有二个相对分布非动力走行轮时的通过性研究（情形二）
• 7.4.3 机器人有二个相临分布非动力走行轮时的通过性研究（情形三）
• 7.4.4 机器人有三个非动力走行轮时的通过性研究（情形四）
• 7.5 走行马达的工作域与选择新准则
• 7.6 试验研究
• 7.6.1 机器人具有一个非动力走行轮时的通过性试验（情形一）
• 7.6.2 机器人有二个相对分布非动力走行轮时的通过性试验（情形二）
• 7.6.3 机器人有二个相临分布非动力走行轮时的通过性试验（情形三）
• 7.6.4 机器人有三个非动力走行轮时的通过性试验（情形四）
• 7.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历
• 附录1