智能割草机器人全区域覆盖运行的控制和动力学特性研究

论文题目: 智能割草机器人全区域覆盖运行的控制和动力学特性研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械电子工程

作者: 祖莉

导师: 赖百坛,王华坤

关键词: 割草机器人,全区域覆盖,神经网络,模糊控制,基于行为,规划,动力学特性,轨迹跟踪,嵌入式处理

文献来源: 南京理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本论文研究的智能割草机器人(IRM)是全区域覆盖运行的户外移动机器人,工作在非结构化的草坪环境中。充分考虑到智能割草机器人的工程实用性,基于RBF神经网络算法,提出在无人为标识的草坪区域中建立边界和识别边界的新方案。 割草机器人的智能在环境中表现为诸多适应性的行为。据此本文提出归一化行为的概念,形成智能割草机器人基于归一化行为的控制体系结构,深入研究归一化行为模式的特性,提出行为元SB和SDB结构,并采用模糊Petri网建立了割草机器人面向环境、针对任务的归一化行为模型。根据行为控制与模糊逻辑之间存在的内在关系,基于模糊控制理论对割草机器人全区域覆盖运行的主要行为:路径跟踪行为、避障行为和区域切换行为进行智能控制,解决了智能割草机器人的路径跟踪行为与避障行为的协调问题。 根据智能割草机器人的特点和任务目标,提出机器人工作性能的评价指标。对割草机器人全区域覆盖运行的路径规划进行数学描述,基于Morse理论提出工作子区域的划分方法,解决了统一而又简单的覆盖路径的规划问题。结合已建立的工作区域边界及拓扑图,提出牵连子区域优先覆盖的新方法,有效地解决了全区域覆盖的运动规划问题。文中还对智能割草机器人全区域覆盖规划的性能进行了分析。 本论文首次引入智能割草机器人的空气动力学特性研究,对刀盘中气流流动模式和特性进行了深入研究,并分析了气流不均衡性对割草机器人自主行为的影响。通过求解有限元模型,得到割草机器人刀盘对不平衡刀片的离心惯性力的动态响应,提出减少刀盘受迫振动的方法。 建立了智能割草机器人在草坪环境中的动力学模型,并进行了相应的动力学特性分析。根据草坪的物理特性,对车轮—草坪力学模型的特定力学性质进行了分析,得到割草机器人在草坪上运动的滚动阻力及草坪所允许的附着力。基于草坪的几何特性,建立其描述函数,研究了由于草坪不平整所引起的割草机器人在不同运动速度下的垂向振动特性,推导出割草机器人对草坪不平整引起的侧向扰动的稳态响应。 利用后退方法设计了割草机器人非完整动力学的轨迹跟踪控制律,给出了考虑外界扰动情况下的仿真控制结果。并基于H_∞理论对机器人的反馈镇定控制进行了探讨。 论文最后设计了割草机器人的本体结构和基于CAN总线的控制系统,研制了基于ARM嵌入式处理器的主控模块和相应的功能子模块。根据割草机器人的行为模式,制定了机器人在工作过程中可能存在的所有通信报文类型。结合软硬件对样机系统进行实验调试,实验结果满足割草机器人工作要求。 通过对智能割草机器人全区域覆盖运行的规划、基于行为的智能控制和动力学特

论文目录:

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 割草机器人研究现状和发展趋势

1.2.1 割草机器人的智能控制技术研究

1.2.2 割草机器人的导航技术研究

1.2.3 割草机器人的路径规划研究

1.2.4 割草机器人的发展趋势

1.3 割草机器人的特点

1.4 割草机器人的关键技术

1.5 论文研究背景与意义

1.6 论文研究内容

第二章 无标识工作区域的边界建立和识别

2.1 草坪环境

2.2 工作区域的边界建立

2.2.1 边界建立的基本原理

2.2.2 基于神经网络的地形信息获取

2.2.3 基于分段获取策略建立边界

2.3 边界建立的性能分析

2.4 边界识别

2.5 小结

第三章 割草机器人归一化行为的智能控制研究

3.1 归一化行为的控制体系结构

3.2 任务与环境模型分析

3.2.1 基于行为的任务分析

3.2.2 环境模型分析

3.3 归一化行为模式的特性

3.3.1 功能性

3.3.2 时间性

3.3.3 层次性与分布性

3.3.4 柔性

3.4 面向环境、针对任务的行为建模

3.4.1 行为元模型

3.4.2 面向环境、针对任务的行为

3.4.3 模糊Petri网与机器人行为

3.4.4 基于FPN的归一化行为模型

3.5 智能割草机器人的行为控制研究

3.5.1 智能割草机器人的行为设计

3.5.2 割草机器人行为的模糊控制

3.5.3 智能割草机器人的行为协调

3.6 小结

第四章 智能割草机器人全区域覆盖运行的规划研究

4.1 智能割草机器人的工作性能评价

4.2 全区域覆盖运行的路径规划

4.2.1 基于Morse理论的区域划分

4.2.2 子区域路径规划

4.2.3 全区域覆盖的拓扑图

4.3 全区域覆盖运行的运动规划

4.3.1 梯度方向优先覆盖方法

4.3.2 划线方向优先覆盖方法

4.3.3 牵连子区域优先覆盖方法

4.4 全区域覆盖规划的性能分析

4.5 转向策略

4.6 仿真实验与分析

4.7 小结

第五章 智能割草机器人动力学特性研究

5.1 割草机器人的空气动力学特性

5.1.1 数学模型

5.1.2 基于MRF的计算模型

5.1.3 CFD解算的收敛性

5.1.4 空气动力学特性分析

5.2 刀片不平衡时的动力学特性

5.2.1 刀盘模态分析

5.2.2 旋转刀片的不平衡离心力

5.2.3 刀盘的动态响应分析

5.3 基于草坪特性的机器人动力学特性

5.3.1 割草机器人的动力学模型

5.3.2 机器人的动力学分析

5.3.3 基于草坪物理特性的动力学特性

5.3.4 基于草坪几何特性的动力学特性

5.4 小结

第六章 智能割草机器人的运动控制研究

6.1 引言

6.2 运动控制描述

6.3 割草机器人的非完整动力学跟踪控制

6.3.1 跟踪控制的动力学模型

6.3.2 利用后退方法的跟踪控制

6.3.3 考虑扰动时的轨迹跟踪

6.4 基于H_∞理论的镇定控制

6.5 仿真实验与分析

6.5.1 系统线性化的跟踪控制

6.5.2 利用后退方法的动力学跟踪控制

6.6 小结

第七章 智能割草机器人的系统设计与实验

7.1 智能割草机器人的功能

7.2 智能割草机器人本体结构设计

7.2.1 运动系统设计

7.2.2 刀片系统的设计

7.2.3 感知系统设计

7.3 智能割草机器人控制系统设计

7.3.1 基于CAN总线的分布式控制系统

7.3.2 基于ARM的嵌入式主控制模块

7.3.3 子模块设计

7.3.4 分布式控制系统的通信规约

7.3.5 遥控模块设计

7.4 实验与分析

7.4.1 智能割草机器人基本行为实验

7.4.2 智能割草机器人全区域覆盖运行实验

7.5 小结

第八章 总结与展望

8.1 总结

8.2 展望

附录A

致谢

参考文献

博士期间发表论文

发布时间: 2005-09-12

参考文献

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