基于IGA的“类等效”建模在全自主足球机器人双闭环调速系统中的应用研究

论文摘要

全自主足球机器人是当今科学研究的热门领域之一。它集高科技和娱乐性于一身,是人工智能、机器人学、计算机视觉等领域,新理论、新方法的良好实验平台。绝大部分控制系统的设计是在离线的情况下进行的。以什么样的模型在什么样的程度上,代替实际被控对象进行控制器的设计,是控制系统设计首先应当解决的关键问题之一。基于IGA的“类等效”建模方法,从被控对象的主要特征量出发,建立结构合理,参数精确的模型。这种方法极大的减小仿真模型和实际之间的差异,大大缩短仿真到实时控制之间的进程。基于以上背景,本课题从全自主足球机器人的实际应用中引出我们需要建立模型的被控对象——双闭环调速系统。双闭环调速系统是构成直流电机驱动系统的典型方案,往往作为执行机构的重要组成部分,建立双闭环调速系统的模型具有广泛的实际意义。本文先对直流电机双闭环调速系统的机理进行深入研究,抓住其主要的动态特征,应用“类等效”建模方法,把直流电机双闭环调速系统的模型,简化成一个简单的具有非线性特性的状态空间模型。进而提出了通过实测系统的转速响应,利用改进的遗传算法对该模型参数进行精确辨识的方法。为检验方法的有效性,我们在General Bar全自主足球机器人上,建立了以MAXON电机、驱动器为主要硬件,及基于μC/OS-II嵌入式操作系统软件设计的实验平台。对General Bar全自主足球机器人的两套双闭环调速系统进行了“类等效”简化模型的建立。通过与常用模型的对比性实验,表明由此建模和参数辨识方法建立的模型,可以很好的替代实际调速系统,使整个机器人系统从定性分析转变为定量研究。此外,我们以两套双闭环调速系统精确模型为基础,设计足球机器人运动控制仿真实验平台。通过在不同目标点下,仿真数据与里程计记录数据的比较可以证实,在仿真平台上设计的控制算法可以直接应用在实际中,加速了运动控制及上层策略系统的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题提出的背景
• 1.1.1 全自主足球机器人发展概况
• 1.1.2 全自主足球机器人的研究热点
• 1.1.3 全自主足球机器人在实际中的应用
• 1.2 本文主要的研究内容
• 1.2.1 问题的提出
• 1.2.2 本文研究的重点
• 1.3 论文的结构
• 2 基于IGA 的“类等效“建模方法
• 2.1 建模基础概述
• 2.2 “类等效”简化模型
• 2.2.1 “类等效”的基本概念
• 2.2.2 “类等效”对模型的处理
• 2.3 基于IGA 的参数辨识
• 2.3.1 遗传算法的生物学基础
• 2.3.2 遗传算法的发展
• 2.3.3 IGA 对遗传算法的改进
• 2.3.4 IGA 在参数辨识中的步骤
• 2.4 本章小结
• 3 双闭环调速系统“类等效”简化模型的建立
• 3.1 机理分析
• 3.1.1 直流电机模型分析
• 3.1.2 双闭环调速系统模型分析
• 3.1.3 双闭环调速系统的动态性能分析
• 3.2 双闭环调速系统简化模型建立
• 3.2.1 “类等效”模型的状态空间表示
• 3.2.2 “类等效”简化
• 3.2.3 模型的计算
• 3.2.4 模型的稳定性分析
• 3.3 模型参数的辨识
• 3.4 本章小结
• 4 全自主足球机器人双闭环调速系统设计及模型建立
• 4.1 GENERAL BAR 全自主足球机器人体系结构
• 4.2 双闭环调速系统硬件设计
• 4.2.1 电机及编码器单元
• 4.2.2 驱动单元
• 4.2.3 DSP 单元
• 4.2.4 接口单元
• 4.2.5 硬件总体连接
• 4.3 基于μC/OS -II 嵌入式操作系统的软件设计
• 4.3.1 通信协议设计
• 4.3.2 μC/OS-II 在DSP 板上的移植
• 4.3.3 任务设计
• 4.4 简化模型建立
• 4.4.1 阶跃响应的测试
• 4.4.2 简化模型的建立
• 4.4.3 模型分析
• 4.5 本章小结
• 5 “类等效”简化模型在运动控制中的应用
• 5.1 任务分析
• 5.2 里程计设计
• 5.2.1 测程法
• 5.2.2 系统误差修正
• 5.3 仿真实验
• 5.3.1 控制器设计
• 5.3.2 仿真平台
• 5.3.3 仿真结果
• 5.4 实际测试与对比
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录