机场跑道检测机器人无线网络反馈控制系统研究

作     者：涂德志 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李芃

授予年度：2019年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：机场跑道检测机器人 无线网络控制系统 运动学模型 广义预测控制 网络延时 网络丢包 

摘      要：随着现代科学技术的发展,航空业已经越来越深入地融入了大众的生活,与人们的生活息息相关,飞机的安全性不容忽视。其中,机场跑道安全性检测是飞机行驶安全的重要保障之一,因机场跑道异物引起的损失巨大。因此,对机场跑道进行安全性检测是极其重要的环节。目前,国内外对机场跑道异物检测的技术还在不断的发展完善中,现有的检测设备包括扫描雷达,自动监测车辆,大都成本较高,且仍有许多改进的余地。本课题针对机场跑道裂纹和异物检测问题,设计研究采用机场跑道检测机器人进行检测,在无线网络反馈环境下,构建机器人的远程控制系统。当存在网络延时和网络丢包的情况下,实现对机器人进行有效控制,提高机场跑道检测机器人“检测1号的远程控制效率。首先,论文设计给出了“检测1号的整体系统控制方案,建立了“检测1号机器人在自身坐标系下的运动学和动力学模型,并且根据自身坐标系和地面坐标系之间的关系,推导出了“检测1号机器人在地面坐标系下的数学模型,并且对这两种模型进行了对比分析。其次,基于无线网络控制系统的结构,分析了无线网络环境下控制系统存在的基本问题,对网络环境下存在的问题进行归纳,得出网络延时和丢包是影响无线网络反馈控制系统性能的主要问题。针对其中网络延时的问题,将广义预测控制(GPC)算法引入机器人的控制系统中,并通过重构目标函数的方式,对广义预测控制系统算法进行改进,证明了改进后算法的稳定性。然后,设计了一种利用在传感器发送端设置缓冲区,及在执行器节点设置延时补偿器的方法,来解决网络控制系统中的延时问题。通过MATLAB进行了仿真,验证了算法的有效性。最后,分析了无线网络控制系统中存在的丢包问题,基于Truetime 2.0仿真工具箱,在Simulink环境下,搭建了使用GPC控制器的无线网络控制系统,通过设置不同的丢包率得出仿真实验的结果,仿真结果表明广义预测控制算法能够消除“检测1号机器人在网络环境下丢包所带来的影响。综上所述,论文所设计的改进GPC算法可以有效的减少由于网络延时和丢包对系统带来的不利影响,实现对系统的有效控制。