六輪關(guān)節(jié)式移動機器人的多輪協(xié)調(diào)及牽引控制研究.pdf

1、關(guān)節(jié)(車)式移動機器人是一種適用于野外復雜地形條件下的多剛體鉸接運動系統(tǒng)。與平整路面上的移動機器人不同，關(guān)節(jié)式移動機器人的牽引控制有以下難點：一、車體的俯仰、橫滾以及懸架上的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角增加了機器人狀態(tài)空間的維數(shù)，系統(tǒng)的數(shù)學模型趨于復雜。二、機器人的驅(qū)動控制量存在冗余，需要為所有車輪電機分配合適的驅(qū)動力矩。三、受復雜地形環(huán)境影響，系統(tǒng)的模型參數(shù)有較多不確定項。針對以上難點，本文圍繞著非平整地形下六輪關(guān)節(jié)式移動機器人的車體期望運動跟蹤問題展開

2、研究，主要研究內(nèi)容包括關(guān)節(jié)式移動機器人的運動學和動力學，模糊滑模變結(jié)構(gòu)牽引控制以及冗余驅(qū)動電機的控制分配方法。取得了如下的研究成果： 首先，以美國Rocky7機器人為例，研究了非平整地形下關(guān)節(jié)式移動機器人的運動學建模方法。利用D-H方法得到機器人車體至車輪的級聯(lián)坐標轉(zhuǎn)換陣，通過引入瞬時重合坐標系，推導機器人的雅可比矩陣。據(jù)此分析可轉(zhuǎn)向車輪與非轉(zhuǎn)向車輪的前向滑移、側(cè)向滑移以及轉(zhuǎn)向角滑移對系統(tǒng)運動學的影響，對運動學模型進行了簡化。根

3、據(jù)車體和車輪間的速度約束關(guān)系，研究了給定車體期望速度下，車輪前向速度的運動學估計方法。借助車體一車輪雅可比矩陣，得出各車輪前向速度的協(xié)調(diào)約束關(guān)系。通過協(xié)調(diào)可轉(zhuǎn)向車輪與非轉(zhuǎn)向車輪的瞬時轉(zhuǎn)向中心，確定機器人的瞬時轉(zhuǎn)向半徑，進而得到各轉(zhuǎn)向車輪的轉(zhuǎn)向角。鑒于輪地接觸角在牽引控制中的重要性，還給出了輪地接觸角的運動學估計方法。. 其次，研究了關(guān)節(jié)式移動機器人的動力學。分別利用拉格朗日方法以及凱恩方法對六輪關(guān)節(jié)式移動機器人的動力學模型進行了

4、推導。兩種方法分別得到不同的解析形式，拉格朗日方程表示了機器人整體動力學特性，凱恩方法可得到各車輪驅(qū)動力與車體運動狀態(tài)的數(shù)學關(guān)系。另外，還研究了松軟土壤下車輪一地面力學，給出了車輪驅(qū)動力的近似估計式。利用ODE動力學仿真工具包，建立北京工業(yè)大學BH-1型機器人的動力學仿真平臺。 然后，針對系統(tǒng)模型的建模誤差以及不確定性研究了模糊滑模變結(jié)構(gòu)牽引控制方法。根據(jù)滑模到達條件設計了滑模變結(jié)構(gòu)控制律。為消除滑模變結(jié)構(gòu)控制中的抖振，用模糊控

5、制直接代替滑模控制的切換控制項，設計了直接自適應模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制律。利用李亞普諾夫穩(wěn)定性定理驗證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，證明該控制系統(tǒng)對系統(tǒng)的建模誤差和干擾具有魯棒性。鑒于松軟地形下車輪的滑移特性，提出了一種滑移率補償方法，該方法能使車輪滑移率維持在正常水平。最后，對車輪驅(qū)動力的控制分配方法進行了研究。由于廣義逆方法的可達目標集空間較小，解向量不能保證是容許控制量，因此采用級聯(lián)廣義逆方法進行改進，遞歸生成解向量。該方法能夠較好解決解的分配