崎嶇地面移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與估計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展,對(duì)機(jī)器人的研究也日益加深,特別是崎嶇地面上的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為研究的一個(gè)熱點(diǎn)。本課題在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“輪式機(jī)器人在崎嶇地面的低能耗通過(guò)性控制的方法研究(60775060)”的支持下,搭建崎嶇地面移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng),研究機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)及相關(guān)特性,對(duì)機(jī)器人車體及輪地接觸等相關(guān)信息做出探索。
　　 首先,在綜合目前國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)的前提下,搭建一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),可移植,兼容

2、性好,穩(wěn)定性強(qiáng)的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。課題選擇了帶有PC/104總線的工控機(jī)作為主控單元,以CAN總線作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制總線,轉(zhuǎn)向舵機(jī)控制卡控制轉(zhuǎn)向電機(jī)、IMU單元等控制器和傳感器作為輔助設(shè)備,目的是能夠良好的控制移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作,同時(shí)能夠以直接或間接方式得到移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài),接地角以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流,轉(zhuǎn)速等相關(guān)信息。
　　 其次,根據(jù)現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),應(yīng)用坐標(biāo)變換的方法,建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并分析其相關(guān)特性。在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的過(guò)程中,

3、考慮滑轉(zhuǎn)和滑移以及接地角;針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)前后傾角及側(cè)傾角可以調(diào)節(jié)的特點(diǎn),在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立過(guò)程中做出相關(guān)推導(dǎo);此外,分析前后傾角及側(cè)傾角的調(diào)節(jié)對(duì)車體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響。基于運(yùn)動(dòng)學(xué)推導(dǎo)移動(dòng)機(jī)器人常用的幾種機(jī)動(dòng)模式控制方法。
　　 第三,基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及剮體運(yùn)動(dòng)原理,在地形已知的情況下,對(duì)輪地接觸角(簡(jiǎn)稱接地角)估計(jì)做出仿真研究,在地形未知的情況下給出接地角估計(jì)公式,針對(duì)IMU及關(guān)節(jié)碼盤等傳感器回讀的數(shù)值與真值之間存在偏差的情況,采用

4、UKF濾波的方法進(jìn)行濾波,減小偏差,使得對(duì)于姿態(tài)和接地角等信息的估計(jì)更加準(zhǔn)確。另外,基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的原理,推導(dǎo)帶有從動(dòng)第五輪的機(jī)器人滑轉(zhuǎn)率估計(jì)方法。
　　 最后,課題對(duì)幾種常用機(jī)動(dòng)模式分別進(jìn)行硬地與沙地行走實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證控制系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性,同時(shí)驗(yàn)證控制軟件的有效性。此外,進(jìn)行崎嶇地面試驗(yàn)臺(tái)行走實(shí)驗(yàn)與沙地典型崎嶇地面行走實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證接地角估計(jì)算法與滑轉(zhuǎn)率估計(jì)算法。在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,均采集車體俯仰、橫滾、偏航角度,各驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流等信息