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球形机器人运动控制研究

作　者: 廖欢欢
导　师: 郭伟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 球形机器人随动控制轨迹跟踪 ARM 嵌入式惯性导航
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

球形机器人作为一种新颖的微小型移动机器人,同传统的轮式、履带或足式机器人相比,有不会倾覆失效的不倒翁特性,密封两栖特性,容易适应松软沙地等复杂地形以及低能耗诸多优势。尽管有着如此多的优势,但由于传统的球形机器人研究局限在采用原地转向和直行分步控制,机器人不能跟踪连续的一般运动轨迹,严重限制了其应用场合。为此,论文致力于研究一种新型的双驱动球形机器人的控制系统,提出了一套新的控制方案,并通过实验验证,使其除了能够完成原地转向,直行之外,还能够跟踪连续的一般运动轨迹。论文先研究了球形机器人的运动学和动力学方程,分析了圆弧轨迹跟踪的特点,得到机器人绝对坐标系下的位移,速度等各项运动参数到机器人连体坐标系的的正逆变换矩阵,偏心重力矩和惯性力矩对机器人运动状态的影响。接着,提出了一种基于单摆运动和位置随动结合的控制策略,实现机器人连续的圆弧轨迹跟踪,并在MATLAB中对其进行仿真,研究该控制策略在机器人姿态控制和轨迹跟踪方面的效果。最后,通过搭建基于内嵌μC/OS-II操作系统的ARM控制器以及驱动器,整合惯性导航姿态测量单元反馈回的姿态参数,对球形机器人进行圆弧轨迹跟踪实验研究。通过实验发现,机器人具有良好的动平衡特性和轨迹跟踪特性。所以,这种旨在连续轨迹跟踪的控制策略是完全可行的。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题来源及课题背景  9-10
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 课题背景  9-10
  1.2 球形机器人的发展现状  10-15
    1.2.1 独立半球驱动型  10
    1.2.2 陀螺仪自稳偏心驱动型  10-11
    1.2.3 交错轴驱动型  11-12
    1.2.4 非固定轴驱动型  12
    1.2.5 记忆合金形变储能驱动型  12-13
    1.2.6 风力驱动球形机器人  13-14
    1.2.7 转向和前进单独驱动型  14
    1.2.8 研究现状小结  14-15
  1.3 课题主要研究内容  15-17
第2章球形机器人的一般运动学分析  17-28
  2.1 引言  17
  2.2 双偏心质量块驱动球形机器人一般运动机理分析  17-20
    2.2.1 双偏心质量块驱动球形机器人结构分析  17-18
    2.2.2 双偏心质量块驱动球形机器人一般运动受力分析  18-20
  2.3 球形机器人运动学分析与建模  20-27
    2.3.1 基于卡尔丹角的空间姿态变换矩阵  21-24
    2.3.2 球形机器人姿态与轨迹半径的关系  24-26
    2.3.3 球形机器人的角速度观测矩阵  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章球形机器人圆弧轨迹跟踪控制策略研究  28-42
  3.1 引言  28
  3.2 球形机器人拉格朗日一般动力学模型  28-31
  3.3 球形机器人圆弧轨迹运动动力学分析  31-36
    3.3.1 球形机器人圆弧运动的空间受力分析  31-33
    3.3.2 球形机器人圆弧运动截平面平面受力分析  33-34
    3.3.3 球形机器人基于动量矩定理的动力学方程  34-35
    3.3.4 球形机器人圆弧运动的横滚方向的最大倾角  35-36
  3.4 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制方法研究  36-38
    3.4.1 单摆运动率的惯性力学特性  36-37
    3.4.2 单摆运动参数对惯性力影响的分析  37-38
  3.5 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制器设计与仿真  38-41
    3.5.1 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制器设计  38-40
    3.5.2 基于单摆运动率的圆弧轨迹跟踪控制器仿真  40-41
  3.6 本章小结  41-42
第4章球形机器人控制系统的设计与实验研究  42-62
  4.1 引言  42
  4.2 球形机器人控制系统的硬件设计  42-47
    4.2.1 主控制器  44-45
    4.2.2 电源模块  45-46
    4.2.3 通信模块  46
    4.2.4 位置与速度反馈模块  46
    4.2.5 驱动和电流采样模块  46-47
    4.2.6 惯性导航姿态测量单元  47
  4.3 球形机器人控制系统的软件设计  47-54
    4.3.1 嵌入式操作系统的移植  48-49
    4.3.2 位置积分和转速测量  49-50
    4.3.3 电流采样滤波算法  50
    4.3.4 改进的增量式PID 算法  50-52
    4.3.5 卡尔丹角姿态数据采集和无线遥控程序  52-54
  4.4 球形机器人控制系统的实验研究  54-60
    4.4.1 球形机器人实验系统组成  54-55
    4.4.2 小半径圆弧轨迹跟踪实验  55-58
    4.4.3 大半径圆弧轨迹跟踪实验  58-60
  4.5 本章小结  60-62
结论  62-63
参考文献  63-69
致谢  69

球形机器人运动控制研究

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