摘要

随着科学技术的发展,轮式移动机器人越来越广泛地被用到工业制造、医疗服务、野外作业、空间探索等领域。四轮滑动转向轮式移动机器人由于其结构简单、经济性和适用性强等优点而得到了广泛关注和研究。由于机械结构原因,该类机器人依靠四个车轮差速和滑动进行转向,实际上因为环境等因素,车轮运动过程中不可避免地会出现打滑的情况,而对系统性能造成影响,因此对于车轮打滑/不打滑状态以及车轮所受摩擦力的分析研究具有重要意义。另外四驱轮式移动机器人与其他类型机器人由于在结构、动力等方面的差异,导致运动学、动力学建模及运动控制均有诸多差异。首先,本文基于一个四轮独立驱动工业巡检机器人进行了适当改造,搭建了实验平台。基于该10自由度机器人建立了完整的三维运动学、三维动力学模型,并进行了相应的参数辨识。在动力学建模中,考虑四个车轮纵向/侧向的打滑/不打滑的状态,对于系统的多种状态,分别通过牛顿力学方程和拉格朗日方程进行了完整的建模。前者的优点在于既可以分析运动状态又可以分析系统的内力情况,·后者的优点在于可以在不求解内力情况下分析车体运动状态。其次,本文在牛顿力学动力学模型基础上,采用Matlab/Simulink仿真分析了机器人在平面运动下的直线运动和转弯运动中,车轮打滑/不打滑情况及系统相应的受力状态和运动状态。详细描述了系统参数、输入力矩、地面摩擦力以及地面环境等因素对车体运动状态的影响。解释了机器人实际运动过程中抖动、打滑现象的原因,并提供了解决思路。在拉格朗日方程三维动力学模型的基础上,结合Dugoff滑动摩擦力模型,对机器人进行了仿真分析,与前者进行了比较。最后,基于四驱轮式移动机器人平台,设计了PID控制算法。仿真和实验表明,基于传统的四轮独立差速控制策略的控制,车体在直行和转弯过程中存在抖动、内耗等问题。同过改进的同侧统一控制策略,可以有效解决上述问题,提高运动稳定性及降低损耗。

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摘要
ABSTRACT

第1章 绪论

1.1 课题研究背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 轮式移动机器人建模研究
1.2.2 车轮摩擦力分析
1.2.3 完整约束与非完整约束问题及其求解
1.2.4 轮式移动机器人控制方法
1.3 研究意义及内容
1.4 本章总结

第2章 机器人实验平台搭建

2.1 系统的硬件平台
2.2 系统的软件平台
2.3 机器人系统实验平台测试
2.3.1 编码器数据采集与处理
2.3.2 陀螺仪数据采集
2.4 本章小结

第3章 系统运动学及动力学三维建模

3.1 运动学建模
3.2 动力学建模
3.2.1 牛顿力学方程法动力学建模
3.2.2 拉格朗日方程法动力学建模
3.3 本章小结

第4章 动力学模型参数辨识与仿真实验

4.1 系统参数辨识
4.1.1 Solidworks辨识模型参数
4.1.2 最小二乘法对电机参数辨识
4.1.3 摩擦系数测量实验
4.2 牛顿力学方程法动力学模型仿真分析
4.2.1 车体直线运动仿真分析
4.2.2 车体转弯运动仿真分析
4.3 基于DUGOFF摩擦力模型的动力学模型仿真
4.6 本章小结

第5章 四驱轮式移动机器人控制算法研究

5.1 基于速度差分的PID控制
5.1.1 基于四轮独立控制策略的PID速度控制
5.1.2 基于动力学模型的机器人控制仿真分析
5.2 改进的机器人控制策略的仿真及实验
5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结
6.2 研究展望
参考文献