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基于激光导航的履带自走式机器人控制系统研究

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基于激光导航的履带自走式机器人控制系统研究

作者：包传祥安徽农业大学

学位级别：硕士

本文以激光扫描仪为核心,设计了一款履带自走式机器人的导航控制系统,主要应用于农作物的植保,是农业机械自动化与信息化的产物。以履带底盘为平台,以激光扫描仪为导航设备,实现机器人在农业环境中壁障自走功能,对直线和曲线路径分别设... 详细信息

本文以激光扫描仪为核心,设计了一款履带自走式机器人的导航控制系统,主要应用于农作物的植保,是农业机械自动化与信息化的产物。以履带底盘为平台,以激光扫描仪为导航设备,实现机器人在农业环境中壁障自走功能,对直线和曲线路径分别设计了不同路径规划算法,导航控制系统则采用较为优越的模糊控制,本设计总体包括通讯系统、驱动控制系统、导航算法等,其中导航算法为本文的设计核心,主要内容如下:(1)设计机器人的履带底盘电控系统,主要搭建一个可靠的设计平台,为设计导航做准备,通讯系统总体框架及各部分通讯设备选型,驱动控制设备的原理分析及选型依据,并介绍了激光扫描仪的导航原理,对激光扫描仪的误差产生原因做了详细分析。(2)详细设计了障碍物定位和路径规划算法,首先对扫描得到的地图做离散化处理,用坐标变换将目标点集从极坐标变换到直角坐标,对障碍物群做目标点的聚类处理,将点集用单点表示。直线路径规划采用最小二乘法拟合直线路径,曲线路径先用二次函数拟合之后再用零点取切线的方法来实现直线跟随曲线的目的。两种路径规划算法在执行中通过计算二次函数某段弧曲率的方法来选择规划直线路径或曲线路径。(3)路径规划仅仅是导航实现的准备,执行路径则是导航控制系统的重点,经典控制理论无法对多输入系统做精确控制,因此要通过现代控制理论来解决多输入系统的控制。本设计的路径执行部分采用的是模糊控制方法,首先推导机器人的运动学模型,建立机器人与路径的位置关系,从位置关系分析建立模糊控制表,从模糊控制表上能直接读出某一位置需要执行的控制命令,执行命令的判断标准是隶属度,比较隶属度执行隶属度大的命令。(4)设计完成后做了大量的实验,在玉米行中做了直线试验,验证直线路径导航的功能,横向平均偏差为102.0m,机器人在导航中线附近波动并且误差收敛,曲线试验人为搭建的试验环境半径为2米的玉米杆,现场试验是成长后期的玉米行,行宽8.0m株距3.0m,最大横向偏差为22.0m。

关键词：激光导航履带机器人路径规划路径拟合模糊控制

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履带式林地林木信息采集机器人路径规划研究

履带式林地林木信息采集机器人路径规划研究

作者：孙彪北京林业大学

学位级别：硕士

传统机器人路径规划主要应用场景在室内或者室外平缓路面,对机器人运动要求较低。林区山地中路径规划需要综合考虑地形、地物等因素,且林区山地中障碍物分布具有随机性、不均匀性等特点,使得机器人在复杂环境中的路径规划问题变得非常... 详细信息

传统机器人路径规划主要应用场景在室内或者室外平缓路面,对机器人运动要求较低。林区山地中路径规划需要综合考虑地形、地物等因素,且林区山地中障碍物分布具有随机性、不均匀性等特点,使得机器人在复杂环境中的路径规划问题变得非常复杂。本文面向林区山地条件下路径规划面临的问题开展研究,解决林区山地条件下机器人运动安全与节能的路径规划问题。本文主要内容和工作如下:(1)构建机器人在非平坦地形下的运动理论模型。通过机器人在二维平面运动模型,拓展到三维地形下的机器人运动,并对其运动姿态解算进行数学建模。(2)采用分布式平面地图构建方法,将林区环境下的机器人运动空间中的信息进行简化、分类,得到机器人地表障碍物信息层与地形障碍物信息层,并通过栅格地图,构建机器人在非平坦地形下的地面高程信息评价模型。(3)针对机器人地表障碍物信息及地形障碍物信息,基于双向RRT算法,通过初始路径引导、目标引导方法进行机器人全局路径规划,并结合贪婪算法思想,添加去除冗余路径点方法。在机器人轨迹优化方面,为了贴合机器人实际运动轨迹,保证路径可以通过路径点,引入Cantmull-Rum样条插值方法进行轨迹优化。(4)在满足机器人运动条件下的非平坦地形中,为了保证机器人能够找到相对较为平坦且路程较短的路径,采用DDQN算法进行栅格地图局部路径规划,通过机器人周围障碍物信息层与地面高程信息层融合的地图,设计机器人运动状态及奖励函数,进行局部路径规划。(5)依据林区林地条件以及林地林木信息采集需求,设计履带式林地林木信息采集机器人物理样机。为了评价本文提出的路径规划方法的性能,进行实验验证与分析。针对全局路径规划Ms＿Bi RRT算法实验,依据分布式林区地形、地物分类信息,设计三种地图进行比较分析。针对基于DDQN算法的局部路径规划方法,依据融合林地高度信息层的障碍物栅格地图,进行对比试验。试验研究表明,本文提出的路径规划算法,在全局路径规划中节点有效率提高,规划时间缩短,总节点生成数量降低,机器人可以在地图中找到一条安全通过的路径。局部路径规划中,机器人对周围高程信息具有一定灵敏度,可以在路径长度损失较小的情况下寻找一条使机器人运动相对稳定的路径,机器人运动过程中能量损失较小。

关键词：履带机器人非平坦地形地图构建全局路径规划 Double DQN

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基于声信号的履带机器人地面分类试验研究

北京理工大学学报 2018年第9期38卷 912-916页

作者：赵凯董明明刘锋王玉帅孙晋伟顾亮北京理工大学机械与车辆学院北京100081

为了拓展地面识别方式及提升识别率,提出利用履带机器人行驶噪声进行地面类型识别.使用声压传感器采集履带机器人在行驶过程中与地面相互作用辐射的声音信号,对声音信号提取修正的梅尔频率倒谱系数(MFCC)及其一阶差分(ΔMFCC)使用优化... 详细信息

为了拓展地面识别方式及提升识别率,提出利用履带机器人行驶噪声进行地面类型识别.使用声压传感器采集履带机器人在行驶过程中与地面相互作用辐射的声音信号,对声音信号提取修正的梅尔频率倒谱系数(MFCC)及其一阶差分(ΔMFCC)使用优化后的支持向量机(SVM)进行分类,并测试了该方法在多种背景噪声环境下的效果.结果表明,行驶噪声包含能够表征地面特点的信息.相比于幅域、频域和时频域特征,修正的MFCC+ΔMFCC特征具有明显优势.在校园环境中分类准确率达到了89.5%,当信噪比高于20dB时,在多种背景噪声环境中分类准确率均达到80%左右.

关键词：履带机器人地面分类声信号梅尔频率倒谱系数支持向量机

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履带机器人地面力学研究进展

机械设计 2020年第10期37卷 1-13页

作者：白意东孙凌宇张明路刘肖雅李志龙河北工业大学机械工程学院天津300401

履带机器人具有高机动性和良好的越野能力,被广泛应用于军事、农业、建筑等领域,基于地面力学研究履带机器人的牵引性能、行驶阻力、越障能力具有重要意义。在车辆地面力学的发展中,针对履带与地面相互作用机理提出了很多研究方法,文中... 详细信息

履带机器人具有高机动性和良好的越野能力,被广泛应用于军事、农业、建筑等领域,基于地面力学研究履带机器人的牵引性能、行驶阻力、越障能力具有重要意义。在车辆地面力学的发展中,针对履带与地面相互作用机理提出了很多研究方法,文中对其中的纯经验法、半经验法、模型试验法和数值分析法进行归纳分类和对比分析;对基于这些方法建立的评价机器人通过性的地面响应模型和影响牵引力的履刺效应模型进行总结,其中地面响应模型重点介绍了压力沉陷模型和剪切应力位移模型;最后,对履带机器人地面力学目前存在的问题做出了分析与讨论,给出了未来可能的研究方向,旨在为后续的研究提供参考与借鉴。

关键词：履带机器人地面力学压力沉陷模型剪切位移模型履刺效应

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履带机器人机械臂姿态优化

机械设计与制造 2019年第9期 249-252,257页

作者：张俊俊王亚翔刘满禄张华西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室

研究一类危险环境下搭载重型检测仪器及其保护壳等工作设备的履带式底盘结构侦查机器人的机械臂支撑性能。由于负载较重,地面随机激励、越障冲击振动可能给机械臂关节造成一定的损伤甚至失效,所以,需要对此类重型机械臂进行运动姿态仿... 详细信息

研究一类危险环境下搭载重型检测仪器及其保护壳等工作设备的履带式底盘结构侦查机器人的机械臂支撑性能。由于负载较重,地面随机激励、越障冲击振动可能给机械臂关节造成一定的损伤甚至失效,所以,需要对此类重型机械臂进行运动姿态仿真研究。针对路面随机激励对履带机器人搭载的机械臂的影响进行了理论分析,并用Recurdy软件建立了履带机器人模型。通过理论计算、仿真和实验,推导出了机器人搭载的机械臂运动时的最佳的姿态。本研究对履带式机器人研究设计和优化提供了重要的依据。

关键词：履带机器人机械臂姿态仿真分析 Recurdyn

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液压摆臂履带可变形机器人的设计

机械制造 2021年第1期59卷 5-10页

作者：孙英暖孟广耀王哲王维信青岛理工大学机械与汽车工程学院山东青岛266520

履带机器人在行驶过程中,由于越障需要,会产生变形,导致履带过松或过紧。针对这一问题,将椭圆定理应用于履带机器人的结构构型,设计了液压摆臂履带可变形机器人。在设计中,引入液压可伸缩式后摆臂,基于摆臂角度由控制系统控制活塞杆,使... 详细信息

履带机器人在行驶过程中,由于越障需要,会产生变形,导致履带过松或过紧。针对这一问题,将椭圆定理应用于履带机器人的结构构型,设计了液压摆臂履带可变形机器人。在设计中,引入液压可伸缩式后摆臂,基于摆臂角度由控制系统控制活塞杆,使履带长度保持不变且能持续张紧,提高了机器人的越障性能。建立各种典型地形的数学模型,对液压摆臂履带可变形机器人的越障动作进行步态规划,确定关键步态及关键点,并对液压摆臂进行力学分析,由此验证液压摆臂履带可变形机器人在各种地形中的越障性能。

关键词：液压摆臂履带机器人设计

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一种履带油罐清洗机器人的越障过程分析

装备制造技术 2021年第12期 82-86页

作者：奚旺王佳楠王哲中国石化大连石油化工研究院辽宁大连116045 南阳新成高架设备有限公司河南南阳473000

设计一种用于油罐清洗的履带机器人。构建履带油罐清洗机器人整体运行环境物理模型,对履带机器人越障过程进行静力分析,得到履带机器人越障过程中力学关系。同时完成整个履带机器人模型构建,在ADAMS环境下模拟并对主动轮速度、履带机器... 详细信息

设计一种用于油罐清洗的履带机器人。构建履带油罐清洗机器人整体运行环境物理模型,对履带机器人越障过程进行静力分析,得到履带机器人越障过程中力学关系。同时完成整个履带机器人模型构建,在ADAMS环境下模拟并对主动轮速度、履带机器人整体速度、履带机器人和主动轮速度对比以及主动轮转矩进行分析。结果表明履带机器人运行平稳,在越障过程中抓地力、加速和刹车表现能力较好。

关键词：履带机器人越障过程静力分析 ADAMS

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关节履带式核应急机器人攀爬台阶稳定性分析

现代机械 2021年第6期 75-79页

作者：周龙邹树梁张德南华大学机械工程学院湖南衡阳421001 核设施应急安全技术与装备湖南省重点实验室湖南衡阳421001

针对核环境非结构化环境中核应急机器人的越障能力问题,利用多体动力学软件RecurDyn建立关节履带式核应急机器人虚拟样机,并对其进行静力学分析和动力学仿真,剖析机器人在非结构化地形环境下攀爬台阶能力稳定性的影响因素,为关节履带式... 详细信息

针对核环境非结构化环境中核应急机器人的越障能力问题,利用多体动力学软件RecurDyn建立关节履带式核应急机器人虚拟样机,并对其进行静力学分析和动力学仿真,剖析机器人在非结构化地形环境下攀爬台阶能力稳定性的影响因素,为关节履带式核应急机器人关键结构参数优化提供合理依据,以实现在非结构化地形关节履带式核应急机器人的强越障性、稳定性要求。

关键词：履带机器人强越障稳定性

履带机器人行驶结构无线采集系统设计及故障辨识方法

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履带机器人行驶结构无线采集系统设计及故障辨识方法

作者：殷国珠太原科技大学

学位级别：硕士

履带机器人行驶结构因其长期处于煤岩底质复杂地形、强振动、高冲击、易碰撞、低频大振幅、高湿度及工作空间受限等极端工况,导致行驶结构各部件载荷获取难度大,在危险预测及故障识别等方面多以仿真研究为主,缺乏试验验证。针对这一问题... 详细信息

履带机器人行驶结构因其长期处于煤岩底质复杂地形、强振动、高冲击、易碰撞、低频大振幅、高湿度及工作空间受限等极端工况,导致行驶结构各部件载荷获取难度大,在危险预测及故障识别等方面多以仿真研究为主,缺乏试验验证。针对这一问题,本文设计了一种内置式履带行驶结构无线应变采集系统,用以采集履带行驶结构部件的应力应变。提出一种基于EMD-SDP和GoogLeNet的故障辨识方法,识别履带环特定故障,并通过声发射信号对故障源位置进行定位,为履带行驶结构的安全健康运行和故障预测研究提供技术支撑。针对煤矿履带机器人行驶结构在行驶过程中载荷难以获取的问题,设计了一个四通道无线应变采集卡,并将应变采集卡、电池和连接导线集成为应变采集系统,完成了该系统的封装。首先,分析了应变采集卡的电路和工作原理,然后,通过仿真与试验相结合标定了应变采集卡的4个通道,最后,将应变采集卡、电池和导线集成封装内置于履带行驶结构。探讨了在封装环境下应变采集系统连续工作时温度及应力变化规律。结果表明:应变采集卡标定后应变采集误差不超过5×10-6,并能同时采集4个通道的应变信号;应变采集系统在封装环境下连续工作7×24 h后,应变采集系统的最高温度稳定在34.58℃;应变采集系统随履带环旋转一周,应变采集系统所受最大应力6.14 MPa,最小应力-4.32 MPa,可以满足正常使用。实现了履带机器人行驶结构部件的多自由度应变信号检测,为履带行驶结构动态载荷变化的实时获取提供了方法。针对履带环销轴故障难以准确识别的问题,在试验前预先对履带行驶结构进行动力学仿真,确保试验采集的信号能有效识别故障。建立履带行驶结构动力学模型,分别进行了履带环销轴健康和故障工况的仿真,提取两种工况下履带环弯链板上的应变,以及驱动轮和导向轮处的振动加速度信号进行分析。结果表明:销轴健康工况下,履带环弯链板上的微应变在通过各个轮时会发生周期变化,在其他位置处基本稳定不变。在故障工况下,弯链板处于受压状态;通过Hedges’g值分析,选择纵向（履带机器人前进方向）加速度信号作为故障识别的分析信号。为准确辨识履带机器人履带环销轴损伤,提出了一种基于EMD-SDP和GoogLeNet的故障辨识方法。先通过EMD分解和小波去噪对信号重构,利用SDP图像融合加速度与应变信号,再将SDP图像输入迁移学习的GoogLeNet神经网络,完成销轴损伤故障识别。在履带行驶结构靠近导向轮和驱动轮处分别布置三轴加速度传感器,并在履带环弯链板处粘贴应变片获取试验信号;根据加速度信号的Hedges’g值选择出适合作为故障识别的分析信号;三种单一信号的SDP图像,在大样本情况下分别完成模型训练并预测;然后,融合加速度和应变信号的SDP图像与三种单一信号的SDP图像,在小样本情况下分别训练模型并进行故障识别。结果表明,大样本训练下的故障识别模型,应变信号的识别准确率达到了100%,导向轮和驱动轮处的信号识别准确率分别为80%和50%,证明了该故障识别模型有效;小样本训练的故障识别模型,融合信号的SDP图像识别准确率高于单一信号识别的准确率,可达95%。该研究为履带行驶结构在小样本故障识别方面提供了技术支持。为实现对履带机器人驱动轮裂纹的故障定位,通过单次测量法和平均值测量法分别计算声波在结构钢中的传播速度;在驱动轮裂纹处施加一个冲击荷载,用于模拟声发射源,提取车体表面四个获取点的加速度信号,分析声波到达获取点的响应时间;根据获取点信号的响应时差,基于双曲线定位方法确定声源位置。结果表明:依据单次测量法确定声速的故障源定位,在X轴、Y轴、Z轴方向误差分别为3.2%、5.2%和36.2%。;平均值测量法确定声速的故障源定位,在X轴、Y轴、Z轴方向误差分别为0.9%、4.0%、17.4%。平均值测量确定的声速较单次测量法在故障源定位更为准确,在X轴、Y轴、Z轴方向的误差分别降低2.3%、1.2%、18.8%。

关键词：履带机器人无线应变采集卡动力学仿真故障识别声发射模拟