球形机器人运动控制研究

论文摘要

球形机器人作为一种新颖的微小型移动机器人,同传统的轮式、履带或足式机器人相比,有不会倾覆失效的不倒翁特性,密封两栖特性,容易适应松软沙地等复杂地形以及低能耗诸多优势。尽管有着如此多的优势,但由于传统的球形机器人研究局限在采用原地转向和直行分步控制,机器人不能跟踪连续的一般运动轨迹,严重限制了其应用场合。为此,论文致力于研究一种新型的双驱动球形机器人的控制系统,提出了一套新的控制方案,并通过实验验证,使其除了能够完成原地转向,直行之外,还能够跟踪连续的一般运动轨迹。论文先研究了球形机器人的运动学和动力学方程,分析了圆弧轨迹跟踪的特点,得到机器人绝对坐标系下的位移,速度等各项运动参数到机器人连体坐标系的的正逆变换矩阵,偏心重力矩和惯性力矩对机器人运动状态的影响。接着,提出了一种基于单摆运动和位置随动结合的控制策略,实现机器人连续的圆弧轨迹跟踪,并在MATLAB中对其进行仿真,研究该控制策略在机器人姿态控制和轨迹跟踪方面的效果。最后,通过搭建基于内嵌μC/OS-II操作系统的ARM控制器以及驱动器,整合惯性导航姿态测量单元反馈回的姿态参数,对球形机器人进行圆弧轨迹跟踪实验研究。通过实验发现,机器人具有良好的动平衡特性和轨迹跟踪特性。所以,这种旨在连续轨迹跟踪的控制策略是完全可行的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及课题背景
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题背景
• 1.2 球形机器人的发展现状
• 1.2.1 独立半球驱动型
• 1.2.2 陀螺仪自稳偏心驱动型
• 1.2.3 交错轴驱动型
• 1.2.4 非固定轴驱动型
• 1.2.5 记忆合金形变储能驱动型
• 1.2.6 风力驱动球形机器人
• 1.2.7 转向和前进单独驱动型
• 1.2.8 研究现状小结
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 球形机器人的一般运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 双偏心质量块驱动球形机器人一般运动机理分析
• 2.2.1 双偏心质量块驱动球形机器人结构分析
• 2.2.2 双偏心质量块驱动球形机器人一般运动受力分析
• 2.3 球形机器人运动学分析与建模
• 2.3.1 基于卡尔丹角的空间姿态变换矩阵
• 2.3.2 球形机器人姿态与轨迹半径的关系
• 2.3.3 球形机器人的角速度观测矩阵
• 2.4 本章小结
• 第3章 球形机器人圆弧轨迹跟踪控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 球形机器人拉格朗日一般动力学模型
• 3.3 球形机器人圆弧轨迹运动动力学分析
• 3.3.1 球形机器人圆弧运动的空间受力分析
• 3.3.2 球形机器人圆弧运动截平面平面受力分析
• 3.3.3 球形机器人基于动量矩定理的动力学方程
• 3.3.4 球形机器人圆弧运动的横滚方向的最大倾角
• 3.4 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制方法研究
• 3.4.1 单摆运动率的惯性力学特性
• 3.4.2 单摆运动参数对惯性力影响的分析
• 3.5 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制器设计与仿真
• 3.5.1 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制器设计
• 3.5.2 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制器仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 球形机器人控制系统的设计与实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 球形机器人控制系统的硬件设计
• 4.2.1 主控制器
• 4.2.2 电源模块
• 4.2.3 通信模块
• 4.2.4 位置与速度反馈模块
• 4.2.5 驱动和电流采样模块
• 4.2.6 惯性导航姿态测量单元
• 4.3 球形机器人控制系统的软件设计
• 4.3.1 嵌入式操作系统的移植
• 4.3.2 位置积分和转速测量
• 4.3.3 电流采样滤波算法
• 4.3.4 改进的增量式PID 算法
• 4.3.5 卡尔丹角姿态数据采集和无线遥控程序
• 4.4 球形机器人控制系统的实验研究
• 4.4.1 球形机器人实验系统组成
• 4.4.2 小半径圆弧轨迹跟踪实验
• 4.4.3 大半径圆弧轨迹跟踪实验
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢