AWID/AWIS转向控制系统研究与设计

论文摘要

AWID/AWIS高速高机动机器人是一种新型轮式机器人平台,能够全轮独立驱动和全轮独立转向,具有AWID/AWIS特性的机器人平台具有更多、更灵活的驱动和转向方式,能够提供更多的运动模式(如横向移动、原地转向等多种运动模式),可用于对空间受限的高速、高机动性的轮式机器人的研究,代表了未来高级车辆、军用车辆、无人驾驶车辆和大型轮式移动机器人的发展方向。本文以具有代表性的四轮独立驱动独立转向机器人为研究对象,重点对机器人转向控制系统进行研究。该机器人平台基于4个一体化车轮,可以实现向内90°,向外45°转向,通过电子转向控制器,协调控制各个车轮的角度,实现直行、横移、斜行、常规转向、前后轮转向、绕圆转向共6种运动模式。车轮和方向盘之间没有机械连接,通过电子单元控制车轮控制,属于线控转向方式。本文首先研究了转向技术的发展历史,这是AWID/AWIS机器人平台转向系统稳定、可靠、有效运行的关键,结合我们研制的AWID/AWIS高速高机动机器人平台总体目标,设计了基于CAN总线的分布式控制网络,描述了具体实现过程,并对CAN网络的负载能力及再加载能力进行研究。对起关键作用的电机、执行机构、传感器系统的设计思路和实现方法进行了重点介绍,为以后机器人转向系统结构的研究打下了基础。为使操作者对路面状况和阻力变化有直接感觉,本文对回正力矩的产生进行分析,给出了路感的定义和模拟路感的方法。最后从运动稳定性出发,分析了转向过程中传动比随横摆角速度增益的变化规律,介绍了基于理想传动比的控制策略。本文对转向控制器进行硬件设计和软件设计。控制器需要对转角、转速、电流等信号进行实时采集,因此数字测量处理电路和模拟测量处理电路必不可少,此外,电机的驱动电路,也是转向控制器的关键部分,需要重点设计。为了提高系统的可靠性,引入了冗余概念,在电路中增加了CAN冗余设计,提高系统的容错能力。操作稳定性是平台转向过程的重要指标,本文从运动学角度出发,总结了机器人平台6种运动模式,对前后轮转向过程中的转角、转向半径协调关系进行研究,总结四轮独立转向时转向中心位置的范围,分析了任意半径转向的可能性。从动力学模型出发,研究了横摆角速度、侧向加速度、侧偏角等稳定性指标的时域响应,为进一步研究机器人平台的上层控制提供了思路。最后对本文进行总结,提出了下一步工作的展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的来源
• 1.2 转向系统的发展
• 1.3 线控转向系统发展
• 1.4 线控转向关键技术
• 1.5 研究的主要内容
• 第二章 AWID/AWIS转向系统总体结构
• 2.1 转向控制系统总体结构及原理
• 2.1.1 转向车轮介绍
• 2.1.2 转向控制系统总体结构
• 2.1.3 转向系统工作原理
• 2.2 传感器系统
• 2.2.1 局部传感器选择
• 2.2.2 全局传感器选择
• 2.3 转向执行机构
• 2.3.1 电机的选择
• 2.3.2 电机目标转矩确定
• 2.3.3 电机驱动器的选择
• 2.3.4 电机控制方式
• 2.4 路感控制分析
• 2.4.1 路感的产生
• 2.4.2 路感的分析
• 2.5 转向传动比控制分析
• 2.5.1 传动比的概念
• 2.5.2 理想传动比模型
• 2.5.3 基于理想传动比的控制
• 2.6 本章小结
• 第三章 AWID/AWIS转向系统总线设计
• 3.1 CAN总线技术简介
• 3.1.1 CAN总线技术特点
• 3.1.2 CAN有关概念
• 3.2 CAN网络结构及协议设计
• 3.2.1 CAN网络结构设计
• 3.2.2 通信协议设计
• 3.3 CAN网络的RMA分析
• 3.3.1 RMA的相关概念
• 3.3.2 CAN网络的RMA分析
• 3.4 CAN网络可靠性分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 AWID/AWIS转向控制器设计
• 4.1 转向控制器结构
• 4.2 处理器硬件及初始化
• 4.2.1 复位电路
• 4.2.2 晶振电路
• 4.2.3 电源模块
• 4.2.4 初始化程序流程
• 4.3 通信电路设计
• 4.4 信号采集电路
• 4.4.1 数字信号处理电路
• 4.4.2 模拟信号处理电路
• 4.5 电机控制电路
• 4.5.1 软启动电路
• 4.5.2 欠压保护电路
• 4.5.3 电机接口电路
• 4.5.4 电机程序设计
• 4.6 冗余设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 运动模式及稳定性分析
• 5.1 AWID/AWIS运动模式实验
• 5.2 AWID/AWIS机器人运动学介绍
• 5.2.1 四轮独立转向平台运动模式
• 5.2.2 前后轮转向分析
• 5.2.3 转向中心位置分析
• 5.3 AWID/AWIS机器人稳定性分析
• 5.3.1 AWID/AWIS二由度模型
• 5.3.2 AWID/AWIS稳定性分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作
• 6.2 主要创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间取得的成果
• 学位论文评阅及答辩情况表