六輪關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人是一種適用于野外復(fù)雜地形條件下的多剛體鉸接運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。與平整路面上的移動(dòng)機(jī)器人不同，關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人的牽引控制有以下難點(diǎn)：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(jī)器人狀態(tài)空間的維數(shù)，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型趨于復(fù)雜。二、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制量存在冗余，需要為所有車輪電機(jī)分配合適的驅(qū)動(dòng)力矩。三、受復(fù)雜地形環(huán)境影響，系統(tǒng)的模型參數(shù)有較多不確定項(xiàng)。針對(duì)以上難點(diǎn)，本文圍繞著非平整地形下六輪關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人的車體期望運(yùn)動(dòng)跟蹤問(wèn)題展開

2、研究，主要研究?jī)?nèi)容包括關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)，模糊滑模變結(jié)構(gòu)牽引控制以及冗余驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制分配方法。取得了如下的研究成果： 首先，以美國(guó)Rocky7機(jī)器人為例，研究了非平整地形下關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法。利用D-H方法得到機(jī)器人車體至車輪的級(jí)聯(lián)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換陣，通過(guò)引入瞬時(shí)重合坐標(biāo)系，推導(dǎo)機(jī)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)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(guò)協(xié)調(diào)可轉(zhuǎn)向車輪與非轉(zhuǎn)向車輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向中心，確定機(jī)器人的瞬時(shí)轉(zhuǎn)向半徑，進(jìn)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(yùn)動(dòng)學(xué)估計(jì)方法。. 其次，研究了關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)。分別利用拉格朗日方法以及凱恩方法對(duì)六輪關(guān)節(jié)式移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了

4、推導(dǎo)。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(jī)器人整體動(dòng)力學(xué)特性，凱恩方法可得到各車輪驅(qū)動(dòng)力與車體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)關(guān)系。另外，還研究了松軟土壤下車輪一地面力學(xué)，給出了車輪驅(qū)動(dòng)力的近似估計(jì)式。利用ODE動(dòng)力學(xué)仿真工具包，建立北京工業(yè)大學(xué)BH-1型機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)。 然后，針對(duì)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(dá)條件設(shè)計(jì)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?？刂频那袚Q控制項(xiàng)，設(shè)計(jì)了直接自適應(yīng)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(yàn)證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，證明該控制系統(tǒng)對(duì)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(bǔ)償方法，該方法能使車輪滑移率維持在正常水平。最后，對(duì)車輪驅(qū)動(dòng)力的控制分配方法進(jìn)行了研究。由于廣義逆方法的可達(dá)目標(biāo)集空間較小，解向量不能保證是容許控制量，因此采用級(jí)聯(lián)廣義逆方法進(jìn)行改進(jìn)，遞歸生成解向量。該方法能夠較好解決解的分配