四轮独立转向移动机器人动力学建模及控制研究

论文摘要

随着机器人技术的发展,移动机器人在诸多领域如战场、沙漠探险、行星探测以及服务领域的应用日趋广泛,这对移动机器人在实际的地形环境中运行,提出了稳定性、通过性和机动灵活性的要求,另外,当移动机器人沿着规划的轨迹运行时,期望能很好地跟踪轨迹,因而需要移动机器人具有良好的控制策略。本文首先研究在实际的地形环境下,移动机器人车轮与地面之间接触产生的力学作用。对移动机器人的驱动轮在可变形土壤上运行时的受力情况进行分析,建立车轮与地面相互作用力学模型,得出牵引力、载荷和驱动转矩的数值解法;利用郎肯土力学理论,分析移动机器人转向时车轮侧面与土壤挤压受到的压力和车轮轮缘与土壤的摩擦力,得到车轮的侧向力。结合在实际地形中的受力情况,根据达朗贝尔原理,建立移动机器人的四轮独立转向动力学模型。针对四轮独立转向和四轮独立驱动（4WIS4WID）的移动机器人,深入研究了轮式移动机器人的转向运动控制方法,在四轮转向（4WS）控制理论的基础上,结合四轮独立驱动的直接横摆力矩（DYC）控制,建立4WIS+DYC的联合控制模型。建立侧偏角和横摆角速度具有最佳输出响应的移动机器人理想模型,采用基于四轮转角的前馈和基于4WIS+DYC系统模型和理想模型的质心侧偏角和横摆角速度的误差反馈相结合的控制策略,并利用最优控制的方法确定了反馈系数,使移动机器人满足跟踪轨迹和稳定性的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 移动机器人转向控制的国内外研究现状
• 1.2.1 四轮独立转向技术及研究现状
• 1.2.2 四轮独立驱动技术及研究现状
• 1.2.3 直接横摆力矩控制技术及研究现状
• 1.2.4 移动机器人控制系统的研究现状
• 1.3 本课题研究背景及研究内容
• 第2章 移动机器人地面力学特性理论研究
• 2.1 引言
• 2.2 轮地相互作用力学
• 2.2.1 土壤的物理特性
• 2.2.2 土壤的力学特性
• 2.2.3 轮地相互作用力学理论的计算公式
• 2.2.4 轮地相互作用力学中各个物理量的求解
• 2.2.5 移动机器人车轮与地面相互作用力学的计算
• 2.3 侧向土压力理论
• 2.3.1 土压力的类型
• 2.3.2 土压力的计算
• 2.4 本章小结
• 第3章 四轮独立转向移动机器人动力学建模
• 3.1 引言
• 3.2 四轮独立转向移动机器人的动力学系统建模
• 3.3 四轮独立转向系统动力学模型中物理量的求解
• 3.3.1 移动机器人车轮的侧偏角
• 3.3.2 移动机器人纵向加速度与侧向加速度
• 3.3.3 移动机器人车轮的侧向力
• 3.4 本章小结
• 第4章 四轮独立转向移动机器人控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 四轮独立转向系统模型
• 4.2.1 四轮独立转向系统模型的建立
• 4.2.2 四轮独立转向系统模型的状态空间表达
• 4.3 四轮独立转向移动机器人的控制系统研究
• 4.3.1 四轮独立转向和横摆力矩联合控制系统模型
• 4.3.2 理想移动机器人模型
• 4.3.3 前馈-反馈控制
• 4.3.4 四轮移动机器人驱动力分配
• 4.4 四轮独立转向移动机器人控制仿真研究
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢