輪式移動機器人滑轉(zhuǎn)率預(yù)測及遙操作技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著輪式移動機器人（Wheeled Mobile Robot-WMR）在許多領(lǐng)域起著越來越重要的作用（例如：星球探測、野外災(zāi)害救援等），吸引了許多學(xué)者對它進(jìn)行各方面的研究。目前，對于WMR的研究多數(shù)是基于車輪純滾動的理想假設(shè)進(jìn)行的。然而，當(dāng)WMR行駛在松軟地形（比如星球表面）上時，輪地接觸表面會產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這會對WMR的運動學(xué)模型和動力學(xué)模型帶來干擾，導(dǎo)致對WMR的遙操作變得極為復(fù)雜。因此，有必要針對具有滑轉(zhuǎn)干擾的WMR進(jìn)行遙

2、操作控制的研究。
　　為了補償操作者對從端WMR運動狀態(tài)及環(huán)境的感知能力，本文基于開放式動力學(xué)引擎Vortex，在前期研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善了前期所開發(fā)的WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測平臺——ROSTDyn1.1。針對WMR在任意工況下的任意運動，完善了輪地接觸模型相關(guān)參數(shù)的解算算法，并引入阻尼項來緩沖法向震動來維持預(yù)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用增加解算頻率和降低圖像刷新頻率的策略來進(jìn)一步提高預(yù)測速度和預(yù)測精度。預(yù)測速度測試結(jié)果表明ROSTDyn1.1能

3、夠?qū)崿F(xiàn)實時仿真；實驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的對比證明了其具有較好的保真度。
　　為了消除由預(yù)測模型的局限性以及土壤參數(shù)波動導(dǎo)致的滑轉(zhuǎn)率預(yù)測誤差，本文提出了一個模型參數(shù)在線修正方法。通過數(shù)據(jù)辨識方法消除數(shù)據(jù)中的異步誤差之后，針對最敏感參數(shù)，結(jié)合動力學(xué)預(yù)測誤差推導(dǎo)了它們的修正模型；同時，為了消除預(yù)測模型的非線性，提出了有效系數(shù)的概念。采用ROSTDyn1.1和WMR原理樣機進(jìn)行的仿真和實驗驗證了本文所提出參數(shù)在線修正方法能夠快速地消除滑轉(zhuǎn)率的

4、預(yù)測誤差。
　　針對在松軟地形下的WMR雙向遙操作問題，本文首先建立了在車輪滑轉(zhuǎn)下的WMR運動學(xué)模型；無源性理論分析表明當(dāng)滑轉(zhuǎn)率導(dǎo)數(shù)為負(fù)數(shù)時，WMR/地形環(huán)境端呈現(xiàn)出一定程度的有源性。本文提出了基于TDPC和SOP的補償策略來補償環(huán)境端的有源性，并采用Llewellyn準(zhǔn)則來保證WMR雙向遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時，提出了三種穩(wěn)定性設(shè)計方法來消除固定通信時延的影響。最后，采用搭建的WMR雙向遙操作實驗平臺進(jìn)行了實驗驗證，本文提出的方

5、法能夠有效地補償環(huán)境端的有源性以及通信時延的干擾，并產(chǎn)生穩(wěn)定的WMR雙向遙操作系統(tǒng)，且具有較好的位置-速度跟蹤性能和力透明性。
　　針對具有轉(zhuǎn)向運動和滑轉(zhuǎn)的WMR雙邊遙操作問題，建立了受左右兩側(cè)車輪滑轉(zhuǎn)影響的WMR運動學(xué)模型，基于無源性分析證明了WMR/地形環(huán)境端是潛在有源的。設(shè)計了具有二維運動的WMR雙向遙操作系統(tǒng)，提出了新的環(huán)境端有源性補償算法；采用無源性分析方法保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和力透明性。WMR遙操作實驗證明本文提出的設(shè)計

6、方法在WMR的前進(jìn)線速度和轉(zhuǎn)向角速度上都能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的跟蹤性能，且在這兩個維度上都能較好的感知環(huán)境端力。
　　在高危地形下，當(dāng)WMR遙操作系統(tǒng)無法獲取到足夠反饋信息來保證操作性能時，本文基于WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測平臺提出了一個新的WMR三向遙操作預(yù)測共享控制架構(gòu)，預(yù)測端和從端WMR的線速度和主端機器人的位置通過共享控制策略相互跟蹤。預(yù)測平臺與從端機器人環(huán)境端的有源性則分別采用本文提出的SOP補償策略進(jìn)行補償；通過保證該系統(tǒng)的無源性來保證