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球形机器人运动分析及控制研究

作　者: 孙琪
导　师: 张越
学　校: 南京理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 球形机器人 ADAMS 虚拟样机机电控制 MATLAB/simulink 控制系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

球形机器人是一种利用球体外壳滚动来实现自身运动的移动机器人,具有转弯半径小、运动全向性等特点,在民用及军事领域有广泛的应用前景。本文主要从结构设计、运动学和动力学分析、机电控制设计、反馈控制系统研究四个部分对球形机器人加以研究。球形机器人结构多式多样,运动原理是通过改变配重重心的位置实现球体沿任意方向滚动。本文在总结了现有的球形机器人结构的基础上提出了新的双驱动球形机器人结构方案,其主要动力源为驱动步进电动机和转弯步进电动机。为了研究球形机器人的运动性能,本文首先建立了运动学和动力学方程,理论分析了球形机器人的运动状态；然后基于ADAMS 虚拟样机软件建立了仿真模型,通过仿真得到球形机器人的状态变量变化曲线,并与理论值进行了对比。同时分析了摆长、摆速、配重等因素对球体速度的影响,总结出影响球体运动状态的主要因素；最后研究了球形机器人拐弯、越障及爬坡性能。机电控制是球形机器人控制的核心部分,决定了球形机器人功能的实现和功能的优劣,主要包括球形机器人运动控制系统的软、硬件实现。球形机器人与PC机控制器之间的通信、电池电量检测及步进电动机控制是整个控制部分最主要的组成部分。根据电动机转速与球体滚动角速度及摆杆摆速之间的关系建立了球形机器人闭环控制系统,通过反馈控制使球形机器人运动姿态相对稳定,并利用ADAMS/control模块和MATLAB/simulink对系统进行联合仿真。通过本文研究,为球形机器人发展奠定了较好的基础,为球形机器人的更深层次的探索提供了实用方法和技术支持。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-14
  1.1 研究背景和意义  7-8
  1.2 国内外发展状况  8-11
    1.2.1 国外球形机器人的发展状况  8-9
    1.2.2 国内球形机器人的发展状况  9-11
  1.3 球形机器人的发展趋势  11-12
  1.4 本文主要研究内容  12-14
2 球形机器人运动学和动力学分析  14-23
  2.1 球形机器人结构设计  14-16
  2.2 球体滚动系统模型  16
  2.3 球形机器人运动学分析  16-17
  2.4 球形机器人动力学分析  17-22
    2.4.1 恒力矩输入球形机器人动力学分析  17-20
    2.4.2 恒转速输入球形机器人动力学分析  20-22
  2.5 本章小结  22-23
3 球形机器人的动力学仿真  23-36
  3.1 引言  23
  3.2 球形机器人虚拟样机建模  23-26
  3.3 球形机器人直线运动分析  26-28
  3.4 各种因素对球体滚动速度的影响  28-31
  3.5 摆杆最大摆角研究  31
  3.6 拐弯、越障及爬坡研究  31-34
    3.6.1 拐弯能力研究  31-32
    3.6.2 越障能力分析  32-33
    3.6.3 爬坡能力分析  33-34
  3.7 本章小结  34-36
4 球形机器人机电控制设计  36-54
  4.1 控制系统总体实现  36
  4.2 控制系统硬件介绍  36-40
    4.2.1 步进电动机  36-37
    4.2.2 步进电动机驱动器  37-38
    4.2.3 无线通信模块  38
    4.2.4 传感器  38-39
    4.2.5 单片机  39-40
  4.3 电源及电池电量检测系统设计  40-43
    4.3.1 电源设计  40
    4.3.2 电池电量检测系统设计  40-43
      4.3.2.1 设计原理  40-41
      4.3.2.2 检测电路设计  41-42
      4.3.2.3 剩余电量检测软件设计  42-43
  4.4 人机通信系统设计  43-46
    4.4.1 串口通信数据包设计  43-44
    4.4.2 无线接口模块  44
    4.4.3 控制器界面设计  44-46
  4.5 步进电动机控制  46-47
  4.6 控制系统软件设计  47-53
    4.6.1 总体软件设计  47-48
    4.6.2 重要源程序说明  48-53
  4.7 本章小结  53-54
5 球形机器人反馈控制系统研究  54-67
  5.1 模糊PID控制  54-56
    5.1.1 PID控制的基本原理  54-55
    5.1.2 模糊控制基本原理  55-56
    5.1.3 模糊PID控制的基本原理  56
  5.2 步进电动机模糊PID控制  56-63
    5.2.1 步进电动机模型的建立  56-58
    5.2.2 步进电动机模糊PID控制器设计  58-61
    5.2.3 控制器MATLAB/simulink仿真  61-62
    5.2.4 PID控制算法源程序  62-63
  5.3 球形机器人控制系统仿真研究  63-66
    5.3.1 定义控制系统输入与输出  64
    5.3.2 建立控制系统  64-65
    5.3.3 控制系统联合仿真  65-66
  5.4 本章小结  66-67
6 结论与展望  67-69
  6.1 结论  67-68
  6.2 展望  68-69
致谢  69-70
参考文献  70-73
附录  73

球形机器人运动分析及控制研究

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