基于转矩重构的四轮机器人行驶稳定性容错控制研究

作     者：赵伟功 

作者单位：浙江科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何致远;王子辉

授予年度：2024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：移动机器人 行驶稳定性 滑模控制 转矩重构 容错控制 

摘      要：随着国家制造业和服务业对移动机器人需求量的增加以及行业政策的支持,移动机器人的技术研发进入了一个快速发展的阶段。四轮轮毂电机驱动移动机器人因其各驱动电机独立可控、结构紧凑、传动效率高、控制灵活等优势,成为该领域的前沿热点。但由于四轮轮毂电机驱动移动机器人的驱动电机数目多且工作条件恶劣,造成电机驱动系统传感器故障概率增大。其中电机速度传感器故障易导致移动机器人行驶失稳,影响行驶的安全性。针对此问题,本文结合行驶稳定控制方法与电机速度传感器故障容错方法,研究基于驱动层转矩重构的行驶稳定性容错控制策略。主要开展了以下研究工作:(1)以四轮轮毂电机驱动移动机器人为研究对象,对其进行动力学建模。根据需求建立七自由度和二自由度参考模型,计算期望横摆角速度和期望质心偏角值;搭建轮毂电机模型并分析轮毂电机的控制方式,强调电机速度传感器在转矩控制中的重要作用;对特征参数进行分析,详细研究了横摆角速度和质心偏角与移动机器人稳定性之间的关联,为控制器控制目标参数选取提供支撑。(2)设计四轮轮毂电机驱动移动机器人行驶稳定性容错控制系统。在行驶稳定性方面,针对系统抖振问题,提出改变趋近律的滑模附加横摆力矩控制器,计算出稳定行驶期望的附加横摆力矩,将期望值分配给驱动层。在驱动层电机速度传感器故障容错方面,建立残差阈值比较诊断方法,当诊断出驱动层电机速度传感器故障时,通过驱动层反电势磁链观测的转矩重构无感容错算法,弥补驱动电机速度传感器故障引起的转矩缺失,有效的恢复移动机器人稳定和安全运行。(3)使用Matlab与CarSim联合仿真,验证在多种工况下行驶稳定性容错控制策略的有效性。提出的改变滑模趋近律下的稳定性容错控制策略能有效对期望横摆角速度跟踪,相较于传统滑模趋近律下的稳定性容错控制策略,趋近速度快0.6s、横摆角速度稳定在0.00816rad/s之内,使移动机器人行驶状态处于稳定;设计的驱动层转矩重构容错控制策略对故障转矩进行重构恢复,使电机速度传感器故障下移动机器人的横摆角速度波动控制在0.04rad/s范围内,同时移动机器人的横向位移偏差控制在约0.018m范围内,能够维持行驶的稳定性。