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球形机器人控制系统的研究

作　者: 蒋楠
导　师: 张广玉
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 球形机器人控制建模 PID
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 58次
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内容摘要

球形机器人是一种以滚动方式行走,运动动力依靠内部驱动装置和外部摩擦力提供的球形或类球形新型移动机器人,具有类似于不倒翁的特性,可实现全方位行走。本文所研究的球形机器人可面向反恐、侦查、搜救等特殊任务环境,具有一定的抗振能力,移动速度快,路面适应性强。本文通过对国内外球形机器人现状的调查研究,在综合它们的优缺点的基础上,提出了一种双电机驱动双偏振块的球形机器人,并实现了对该机器人在平面上滚动运动的速度及定点转动的控制。首先,本文利用非线性动力学的基本方法分析了滚动运动的动力学特性,包括系统相空间中的定点和相轨迹特性,应用PID控制进行直流电机的转速控制从而控制了机器人运动速度,抑制了振荡;利用输入信号S规划方法解决了机器人启动过程中偏振块加速度过大的问题。其次,利用动量矩定理建立了球形机器人定点转动运动的动力学模型,通过对偏振块摆角,球壳转角以及摩擦阻矩关系的分析,提出了将转动过程分解为静止,粘滞,滑移三个阶段的运动方案,并利用数值仿真分析了对定点转动进行控制的良好效果。最后,本文对球形机器人主要的硬件进行了设计,采用两级控制策略,以高性能处理器dsPIC为控制、运算核心,通过MEMS惯性原件采集的机器人运动信息进行反馈控制;由模块化设计的高功率驱动器进行电机驱动。通过对比开环控制和加入PID控制的实验进行验证及分析,对系统的性能进行了实际检验。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-16
  1.1 课题背景  8-9
  1.2 球形机器人研究现状概述  9-12
  1.3 球形机器人控制系统研究概述  12-14
  1.4 主要研究内容  14-16
第2章球形机器人滚动运动研究  16-30
  2.1 引言  16
  2.2 滚动过程建模及动力学特性研究  16-23
    2.2.1 圆环单摆模型  16-18
    2.2.2 系统定点研究  18-19
    2.2.3 系统中的两个初积分  19-20
    2.2.4 仿真实验及分析  20-23
  2.3 滚动速度控制方法研究  23-29
    2.3.1 基于偏振块相对转速的机器人速度PID控制方法  23-24
    2.3.2 偏振块抑振控制方法  24-25
    2.3.3 稳态误差的消除  25-27
    2.3.4 启动过程的最大加速度  27-28
    2.3.5 速度控制的S规划  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章球形机器人转动运动研究  30-38
  3.1 引言  30
  3.2 转动运动模型  30-33
  3.3 转动运动特性分析  33-34
  3.4 仿真实验及分析  34-37
  3.5 本章小结  37-38
第4章球形机器人实验研究  38-50
  4.1 引言  38
  4.2 球形机器人的硬件结构  38-44
    4.2.1 处理器模块  39-40
    4.2.2 传感器模块  40-41
    4.2.3 通讯模块  41-42
    4.2.4 电机驱动模块  42-44
  4.3 实验  44-49
    4.3.1 直线运动实验  44-47
    4.3.2 定点转动实验  47-49
  4.4 本章小结  49-50
结论  50-51
参考文献  51-55
致谢  55

球形机器人控制系统的研究

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