防爆巡检机器人路径规划与轨迹跟踪控制方法研究

作     者：李耒 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：芮宏斌;何社利

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：防爆巡检机器人 路径规划 轨迹跟踪 多目标优化 

摘      要：鉴于石化场站环境中普遍存在的高温高压、易燃易爆特性,为排查场站内潜在风险与隐患,对于生产设备设施的每日例行安全检查至关重要。传统的巡检依靠人工的方式,不仅耗时耗力,而且往往会出现检测失误的情况。因此,开展防爆型巡检机器人的技术研究与应用实践就显得尤为迫切和必要。 首先,深入剖析了防爆巡检机器人的性能需求和整体构造,对其移动底盘结构和防爆结构进行了设计。此外,还针对机器人的双阿克曼转向和原地转向模式建立了对应的运动学模型,为其实现精准运动控制提供坚实的理论基础。 其次,针对防爆巡检机器人的路径规划问题,结合石化场站的实际环境特征,运用栅格法构建了环境地图,并在此基础上搭建仿真环境。采用了跳点搜索法（JPS）对机器人在已知环境的全局路径规划进行研究,引入了多目标评价函数和改进剔除规则对JPS算法进行改进。采用动态窗口法（DWA）与改进JPS算法进行算法融合,以提高路径连续性和平滑度,并用于机器人在未知环境的避障规划。将融合路径用于各巡检点之间的路径规划,并采用改进蚁群算法（ACO）求解各个巡检点的巡检顺序。仿真实验结果表明,改进后的路径规划算法能生成综合性能较强的可行巡检路径。 然后,采用模型预测控制（MPC）算法对防爆巡检机器人轨迹跟踪进行研究,采用模糊控制的策略,通过机器人的位置误差和参考路径曲率自适应调整控制参数,以提高机器人面对不同环境的适应能力。采用了基于原地转向模式的航向修正策略,提高了机器人的巡检效率,并搭建机器人Simulink控制器模型。跟踪“∧字形轨迹,实验结果表明改进的控制器最小位置误差为0.031m,最小航向误差为2.17×10-3rad,明显优于传统MPC控制器,具有更强的跟踪性能。 最后,对机器人样机行驶以及自主导航能力进行了试验测试。实验结果显示,该巡检机器人样机的整体结构表现出高度的可靠性,并且所采用的路径规划算法和轨迹跟踪算法在实际应用中也展现出了良好的有效性及实用性。