可重構(gòu)多機動模式移動機器人及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著移動機器人在諸如戰(zhàn)場、醫(yī)療、服務(wù)等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛和行星探測時代的來臨，對未知環(huán)境中自主移動機器人技術(shù)與理論的需求日益增長。未知環(huán)境是指未知幾何構(gòu)造、未知地面地形地貌以及含有其它未知因素的環(huán)境；機器人對環(huán)境一無所知，無任何先驗信息，且環(huán)境中不存在路標、燈塔等人為參照物；從空間角度看，通常是三維的。要在這樣或類似的環(huán)境中研究移動機器人自主導(dǎo)航的理論與技術(shù)，擁有一個具有穩(wěn)定性、通過性、越障性、可靠性和機動性的硬件移動平臺絕對是必要的，

2、因為任何先進的算法和理論都需要通過高機動性和高通過能力的載體來實現(xiàn)。
　　本文針對“未知環(huán)境中自主工作智能移動機器人導(dǎo)航系統(tǒng)研究”的國家863項目，在綜述國內(nèi)外關(guān)于移動機器人走行部拓撲結(jié)構(gòu)、控制體系、機動性和通過性等移動機器人的相關(guān)理論和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合利用精密機械、網(wǎng)絡(luò)通信、傳感技術(shù)等學(xué)科的技術(shù)，研制開發(fā)出一種多機動模式可重構(gòu)移動機器人。對所涉及的移動機器人的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。
　　研制一種四輪獨立驅(qū)動和獨

3、立轉(zhuǎn)向(4WD4WS)的移動機器人機械本體、控制系統(tǒng)的軟硬件。機器人的重構(gòu)特性可使之變換出具有不同軸距、輪距、重心高度、凈空和穩(wěn)定裕量的機器人構(gòu)型以適應(yīng)不同導(dǎo)航任務(wù)；而其具有仿生特性的輪子，可使機器人具有沙地通過能力。所開發(fā)的以PC104為核心、以直流電機控制網(wǎng)為控制底層，以管理協(xié)調(diào)子模塊為樞紐的控制系統(tǒng)硬件和基于網(wǎng)絡(luò)的機器人參數(shù)測控軟件，為分級并行競爭式控制體系結(jié)構(gòu)、小空間系統(tǒng)綜合技術(shù)、分布式供電與電源實時管理技術(shù)的實施提供物理支撐載

4、體。
　　針對所研制的移動機器人可重構(gòu)的特點，運用解析與投影幾何方法，建立相對比較系數(shù)，從移動機器人的穩(wěn)定性、幾何通過性、操縱性和運動空間等角度定量地分析機器人重構(gòu)構(gòu)型的主要性能指標并給出重構(gòu)構(gòu)型優(yōu)化的結(jié)果。
　　盡管具有復(fù)合傾角的輪子(車輪有內(nèi)/外傾角，輪臂有前/后傾角)在機器人與車輛中有所涉獵，但在其運動學(xué)的理論分析方面還鮮見報道。本文針對具有復(fù)合傾角的輪子的移動機器人建立空間三維運動學(xué)模型，并分析復(fù)合傾角對機器人運動學(xué)

5、性能的影響，為以后的運動控制做理論準備。
　　基于運動學(xué)約束，證明在理想條件下(剛性輪子和地面之間點接觸并保持純滾動)四輪獨立驅(qū)動和四輪獨立轉(zhuǎn)向(4WD4WS)移動機器人基于瞬心的統(tǒng)一運動規(guī)律。提出實際條件下基于任意分布速度瞬心的移動機器人統(tǒng)一運動控制算法以及具有能耗低、響應(yīng)快特點的約束控制算法并進行實驗驗證。對4WD4WS型移動機器人轉(zhuǎn)彎特性做統(tǒng)一整合，為進一步提高機器人運動靈活性奠定理論基礎(chǔ)。
　　針對崎嶇地面的輪式移動

6、機器人運動控制，提出估計結(jié)合逆運動學(xué)模型三維準靜態(tài)力矩控制方法。其優(yōu)點在于UKF非線性濾波算法較之EKF算法有較好的收斂性且能避免EKF算法的發(fā)散，而且附加成本低、易于實現(xiàn)。
　　針對多輪式移動機器人的走行輪布置與動力分配多種多樣的特點，本文用走行輪驅(qū)動配置矩陣(DCM)來統(tǒng)一描述機器人的走行輪動力配置；其中非滿秩DCM所反映的是整個走行輪組動力驅(qū)動不完整的各種情形。針對這些DCM非滿秩情形，給出基于路徑分解和運動分解的移動機器人