一种球形移动机器人的运动预测与控制科技的研究

《北京邮电大学》2009年

刘大亮

【摘要】：球形移动机器人具有运动灵活的特点,且在运动中不存在翻仰问题。因此在工业、民用、国防以及空间构建等领域具备广泛的应用前景。但是球形移动机器人与地面之间带有近似点接触的特征,导致运动预测与控制科技作为球形移动机器人研究的关键问题,并且经常没有得到有效地缓解,阻碍了球形移动机器人的进一步探究和应用。因此,本论文深入地探究了一种球形移动机器人的运动预测与控制科技难题。主要的研究工作如下:首先,基于欧拉——拉格朗日方法构建球形移动机器人的动力学模型,利用坐标变换和输入控制变换对模型进行降阶和标准型处理,并设计双回路线性运动控制策略;提出球形移动机器人的动态平衡问题,分别构建球壳质量分布均匀和非均匀条件下的平面动力学模型,利用部分线性化方法将模型分别变换为非“三角”正则形式的跟“三角”正则形式的前馈非线性模型,并设计指数稳定的动态平衡控制策略;分别对提出的运动控制跟平衡控制策略进行稳定性分析、仿真和试验探究。其次,将球形移动机器人分别简化为“球壳——重摆”模型和“球壳——框架”模型,建立它们的动力学微分方程,并借助求解微分方程的近似解研究驱动机构在两个驱动轴方向上的运动特点;从鲁棒控制的视角,将驱动机构对球壳的耦合作用假设为平台的不确定项后,建立了球形移动机器人的不确定性动力学模型;应用滑模变结构技术设计鲁棒运动控制策略,并进行控制策略的稳定性分析、仿真和试验探究。再次,利用微分几何的方式探究球形移动机器人运动学模型的可控性,利用坐标变换对模型进行标准型处理,并设计指数稳定的非线性姿态控制策略;基于球形移动机器人的运动学模型和鲁棒运动控制策略强调基于曲率的模式跟踪策略;分别对提出的姿态控制跟模式追踪控制策略进行稳定性分析、仿真和试验探究。在理论研究成果的基础上,研制球形移动机器人的嵌入式控制系统,分析平台的可能性故障,并对于故障提出球形移动机器人的解耦容错策略;研制高可靠性的解耦双备份伺服控制系统移动机器人控制技术及其应用,并进行试验研究。最后,研究基于多传感器(惯性测量装置、光电编码器、激光测距仪以及触觉传感器)融合科技的球形移动机器人自主运动控制策略;分别制定里程计模型和激光测距仪模型,从不确定性信息描述的视角探讨模型的偏差;对提出的自主运动控制策略进行试验研究。

【学位授予单位】：北京邮电大学

【学位级别】：博士

【学位授予年份】：2009

【分类号】：TP242

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【引证文献】

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【同被引文献】

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