多移动非完整机器人协调控制研究

VIP免费

3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.75MB 64 页 15积分

侵权投诉

摘要

随着机器人和自动驾驶技术的发展，需要考虑受控对象与环境接触的非完整

约束问题，非完整移动机器人是这类系统的典型代表之一。它是一个集环境感知、

动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体的综合系统。这使得非完整

移动机器人的理论及应用研究在国内外受到越来越广泛地关注，同时随着机器人

技术的发展，人们对机器人的要求不再局限于单个机器人。多机器人系统具有较

强的容错能力、灵活性以及较好的经济性等优势，因此对多移动非完整机器人的

研究已经成为机器人学研究的一个重要方面。如今多机器人协调系统在地质勘探、

搜索救援、采矿、航天器、无人机飞行编队等领域有着广泛的应用。

本文首先介绍了基于非完整移动机器人的运动学模型和动力学模型，综述了

多移动机器人协调控制的主要问题及研究现状；其次，根据滑模控制理论，提出

一种非线性滑模控制器设计方法，以协调一组非完整移动机器人取得合乎要求的

编队，在合理假设下，从理论上证明了机器人协调编队的渐近稳定性，并通过仿

真验证了此控制方法的有效性；接着，从硬件、软件两方面介绍了非完整移动机

器人实验平台，同时还提出了一种移动机器人自由避障策略及其实现方法。

最后，基于非完整移动机器人实验平台，从软件上设计了基于红外传感器的

移动机器人避障控制以及多移动机器人的协调控制，实验结果验证了本文所设计

的控制律的有效性。

关键词：非完整系统移动机器人协调控制避障控制滑模控制

ABSTRACT

With the development of robot and automatic driving technology, nonholonomic

constraints between the controlled objects and the environment must be taken into

consideration in the systems, of which the nonholonomic mobile robot is a typical

example. The mobile robot is an integrated system, including many functions such as

environment detecting, dynamic decision and planning, motion control and

implementation, etc. The theory and application of nonholonomic mobile robot have

been paid more attention for decades at home and abroad. However a single robot is not

desired any more, due to multi-robot system possessing advantages of better fault

tolerance capability, flexibility and so on. Therefore the research of multiple mobile

nonholonomic robots has been an important aspect in robotics. Nowadays, multi-robot

coordinate systems are widely used in fields such as geological exploration,

search-rescue, mining, space exploration, and aeroplane formation without man, etc.

Dynamics and kinematics models of the nonholonomic mobile robots are

introduced first in the paper, then the primary problems and general situation of the

research for multi-mobile robot coordinate control are summarized. Next, a nonlinear

sliding mode controller is proposed to coordinate a group of robots to achieve a desired

formation. We prove theoretically that under certain reasonable assumptions the

formation is asymptotically stable. The simulations verify the effectiveness of the

control method. Then the hardware and software are introduced for the platform of the

nonholonomic robot, and an obstacle avoidance method of the mobile robot is presented

in addition.

Finally, obstacle avoidance control and multi-robot coordinate control based on

infrared sensors are designed, the experiment results validates the effectiveness of the

controller proposed in the paper.

Key word: Nonholonomic System, Mobile Robot, Coordinate Control,

Obstacle Avoidance Control, Sliding Mode Control

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 机器人研究现状 ...............................................................................................1

§1.2 移动机器人系统 ...............................................................................................2

§1.2.1 移动机器人简述 .....................................................................................2

§1.2.2 非完整移动机器人系统 .........................................................................3

§1.2.3 非完整移动机器人运动学模型 .............................................................5

§1.2.4 非完整移动机器人动力学模型 .............................................................6

§1.3 多机器人协调控制系统 ...................................................................................6

§1.3.1 多机器人协调控制优点 .........................................................................6

§1.3.2 多移动机器人协调控制现状 .................................................................7

§1.4 课题来源和研究内容 .....................................................................................11

§1.4.1 课题来源 ...............................................................................................11

§1.4.2 主要研究内容 .......................................................................................12

第二章非完整移动机器人协调编队的滑模控制研究 ...............................................13

§2.1 引言 .................................................................................................................13

§2.2 滑模变结构控制方法概述 .............................................................................13

§2.2.1 变结构控制来源 ...................................................................................13

§2.2.2 滑模变结构概念 ...................................................................................14

§2.2.3 滑模变结构优点 ...................................................................................14

§2.3 非完整移动机器人动力学运动学模型 .........................................................15

§2.4 控制器设计 .....................................................................................................16

§2.4.1 引理 .......................................................................................................17

§2.4.2 控制律设计 ...........................................................................................17

§2.4.3 仿真 .......................................................................................................20

§2.5 结论 ...............................................................................................................24

第三章非完整移动机器人实验平台 ...........................................................................25

§3.1 移动机器人系统平台概述 .............................................................................25

§3.2 红外信息处理模块 .........................................................................................27

§3.2.1 红外传感器分布图 ...............................................................................28

§3.2.2 红外测距原理 .......................................................................................28

§3.2.3 红外测距模块的参数 ...........................................................................31

§3.3 系统执行模块 .................................................................................................31

§3.4 系统软件设计 .................................................................................................32

§3.4.1 系统软件概述 .......................................................................................32

§3.4.2 系统软件框架 .......................................................................................33

第四章移动机器人避障控制设计 ...............................................................................34

§4.1 引言 .................................................................................................................34

§4.2 红外数据处理 .................................................................................................35

§4.3 移动机器人避障方法 ......................................................................................37

§4.3.1 避障策略 ...............................................................................................37

§4.3.2 策略实现 ...............................................................................................39

§4.4 实验结果及分析 .............................................................................................39

第五章移动机器人协调控制设计 ...............................................................................41

§5.1 PID 概述 .......................................................................................................... 41

§5.2 PID 控制电机 .................................................................................................. 43

§5.2.1 编码器测试 ...........................................................................................43

§5.2.2 电机的开环特性 ...................................................................................46

§5.2.3 电机的闭环特性 ...................................................................................47

§5.3 机器人协调控制实验及分析 .........................................................................51

第六章结论与展望 .......................................................................................................54

参考文献 .........................................................................................................................55

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................61

致谢 ...............................................................................................................................62

第一章绪论

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体

现。机器人在当前生产和生活中的应用越来越广泛，在某些场合或环境中正替代

人发挥日益重要的作用。

§1.1 机器人研究现状

机器人“Robot”一词由捷克斯洛伐克作家萨佩克于 1920 年在其作品《洛桑

万能机器人公司》中最早使用。可以说，机器人是人类很早以来就幻想能够拥有

的一种拟人机械，能实现人类手脚的灵活运动、具有人的思维与逻辑，能代替人

类从事非固定的复杂劳动。之后，随着控制理论的产生和计算机的发明，1954 年，

美国人 George C . Devol 提出了第一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为

专利。1959 年美国人英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台真正实用的工业机器

人“尤尼梅特”并应用于汽车工业，机器人的历史从此开始。1960 年推出了工业

机器人的实验样机，1961 年全世界第一台定名为“Unimate”的机器人正式问世，

标志着机器人技术开始形成。70 年代以后，机器人产业蓬勃兴起，机器人技术发

展为一门综合性的学科—机器人学，其涉及机械工程学、电气工程学、微电子工

程学、控制工程学、信息传感工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学

科。随着科技水平不断提高，这种智能机械正逐步地迈向现实[1]。

机器人技术研究发展至今，已经历了三个阶段[2] ：

（1）示教再现型机器人；它必须由人操纵机械手或通过控制器发出指令让机

械手臂动作，以便机器人在动作过程中将这一过程存入记忆装置。这类机器人不

具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。

（2）感知型机器人；感知机器人对外界环境有一定感知能力，如具有简单的

听觉、触觉等功能。机器人工作时，能够根据传感器获得的某一特定信息，适当

调整自己的工作状态，保证在适应环境变化的情况下完成工作。

（3）智能型机器人；这种类型的机器人对环境有更强的感知能力，能独立判

断和行动，能记、推理和决策，从而能够在未知环境中完成更加复杂的任务。智

能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界对象、环境和人相适应、相协

调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，

不同于遥控机器人的“主-从操纵”，而是以一种“认知-适应”的方式自律地进行

多移动非完整机器人协调控制研究

操作。

在当今世界上机器人无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，优势集

中在以日美为代表的少数几个工业发达国家中。日本是机器人产业发展最快的国

家，1996 年日本机器人数量为 40 多万台，约占全世界机器人的总数 50％左右。

美国的机器人近 10 年来也呈持续增长势头，而且增长的幅度逐年加大。从机器人

的技术优势来看，目前美国高科技机器人无论是其质量，还是数量都要高于日本。

另外欧洲的德国、意大利、法国及英国的机器人产业发展也比较快。以上 6个机

器人产业大国所拥有的机器人总数构成了世界机器人数量的主体，约占全世界机

器人总数的 80％。在亚洲除日本外，机器人产业发展较快的国家是韩国，2000 年

底韩国的机器人总数已上升到近 4万台，排在世界的第四位[3]。

国内机器人的研究起步较晚。大多数研究目前尚处于某个单项研究阶段，主

要研究工作有：1994 年通过鉴定的清华大学智能移动机器人，涉及到基于地图的

全局路径规划、基于传感器信息的局部路径规划、路径规划的仿真、传感数据信

息融合等技术；哈尔滨工业大学研制的轮式智能服务机器人能无缆行走、自动避

障、识别语音并能与人对话、用于服务场合的导游导购等；哈尔滨工业大学研制

的壁面清洗爬壁机器人，可用于瓷砖及玻璃壁面清洗作业，实现了高层建筑清洗

作业的自动化。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自

动导航车和服务机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内得到了很大

的重视，并且在很多方面都取得了丰硕成果[4][5]。

§1.2 移动机器人系统

§1.2.1 移动机器人简述

移动机器人是机器人学中的一个重要分支，早在六十年代，就已经开始了关

于移动机器人的研究。从移动方式上看，移动机器人可分为轮式、履带式、腿式

（单腿式、双腿式和多腿式）和水下推进式四大类。移动机器人由于在军事侦察、

扫雷排险、防核化污染、救灾探险等危险与恶劣环境以及制造业中具有广阔的应

用前景，受到了世界各国普遍关注。

美国国家科学委员会曾预言：“二十世纪的核心武器是坦克，二十一世纪的核

心武器是无人作战系统，其中 2000 年以后遥控地面无人作战系统将连续到装备部

队，并走向战场”。美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了地面无

人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕，

文档加载中……请稍候！
如果长时间未打开，您也可以点击刷新试试。

下载文档到电脑，查找使用更方便

15 积分 4人已下载

立即下载 VIP免费下载

摘要：

摘要随着机器人和自动驾驶技术的发展，需要考虑受控对象与环境接触的非完整约束问题，非完整移动机器人是这类系统的典型代表之一。它是一个集环境感知、动态决策与规划、运动控制与执行等多种功能为一体的综合系统。这使得非完整移动机器人的理论及应用研究在国内外受到越来越广泛地关注，同时随着机器人技术的发展，人们对机器人的要求不再局限于单个机器人。多机器人系统具有较强的容错能力、灵活性以及较好的经济性等优势，因此对多移动非完整机器人的研究已经成为机器人学研究的一个重要方面。如今多机器人协调系统在地质勘探、搜索救援、采矿、航天器、无人机飞行编队等领域有着广泛的应用。本文首先介绍了基于非完整移动机器人的运动学模型...

展开>> 收起<<

多移动非完整机器人协调控制研究.pdf

共64页,预览7页

还剩页未读，继续阅读

多移动非完整机器人协调控制研究

相关推荐

开通VIP享超值会员特权

作者详情

相关内容

推荐作者

热门标签

举报选择: