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基于轮地相互作用建模的移动机器人轨迹跟踪控制研究

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基于轮地相互作用建模的移动机器人轨迹跟踪控制研究

作者：夏科睿哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来，随着外星探测、野外作业、极地考察的研究热潮，极端工况下的特种移动机器人技术研究成为机器人技术研究中的热点问题。特种移动机器人中，轮式移动机器人由于移动灵活、可靠性高、机械结构简单等特点，在外星探测、野外作业、... 详细信息

近年来，随着外星探测、野外作业、极地考察的研究热潮，极端工况下的特种移动机器人技术研究成为机器人技术研究中的热点问题。特种移动机器人中，轮式移动机器人由于移动灵活、可靠性高、机械结构简单等特点，在外星探测、野外作业、极地考察等科研任务中得到了广泛应用，但由于任务环境的特殊性，决定了轮式移动机器人必须适应于松软崎岖的地形。地形的松软崎岖导致的移动机器人运动时产生的纵向滑转和侧向滑移问题，为移动机器人的控制提出了新的难题。本文针对松软崎岖地形环境下的移动机器人，基于轮地相互作用理论和先进控制理论，对机器人轨迹跟踪控制的相关问题进行了深入研究和分析。主要研究成果如下：松软地形下基于轮地相互作用分析建立面向轮式移动机器人移动控制物理模型的研究。传统用来分析轮地相互作用的力学积分模型过于复杂，且模型中存在很多动态、未知参数，难于直接用于机器人的控制器设计。本文通过实验的方法确定原有轮地作用力学积分模型中对机器人移动性能影响比较灵敏的参数，将原有轮地作用力学积分模型简化为适用于机器人控制器设计的解析模型，通过实验验证简化解析模型的合理性，最后通过牛顿-欧拉系统建模方法，将轮地作用简化解析模型引入松软地形上轮式机器人的系统运动学、动力学模型中，得到松软地形上面向控制的移动机器人系统动力学和运动学模型。考虑因轮地相互作用而产生“纵向滑转”和“侧向滑移”时的轮式移动机器人轨迹跟踪控制问题研究。轮式移动机器人在松软地形上移动时，会因轮地相互作用而产生“纵向滑转”和“侧向滑移”现象。本文从轮地相互作用的深层机理分析了传统基于“纯滚动无滑动”(不考虑“纵向滑转”和“侧向滑移”)的假设设计移动机器人跟踪控制器难以保证“纵向滑转”和“侧向滑移”出现时控制器的有效性原因。基于考虑轮地相互作用建模的机器人系统动力学和运动学模型，通过滑模控制、反演控制等非线性控制思想，致力于设计适用于松软地形下移动机器人轨迹跟踪并且具有良好稳定性、鲁棒性和抗干扰能力的跟踪控制器，从而为外星探测、野外作业、极地考察的移动机器人提供切实可行的控制策略。基于RoSTDyn仿真系统的松软大坡度及松软崎岖等典型工况地形下的移动机器人轨迹跟踪控制综合仿真及结果分析。本文对典型工况地形中的松软平面地形、松软大坡度地形、松软崎岖地形进行了机器人轨迹跟踪控制综合仿真，将基于轮地相互作用设计的机器人轨迹跟踪控制率转化为c++语言，嵌入到仿真系统RoSTDyn控制模块中，通过对三组典型工况地形下的典型移动性能指标输出结果分析，来验证控制策略良好的稳定性、鲁棒性和干扰抑制能力等。

关键词：轮式移动机器人非线性系统轮地相互作用跟踪控制松软地形

基于应力分布的月球车轮地相互作用地面力学模型

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机械工程学报 2009年第7期45卷 49-55页

作者：丁亮高海波邓宗全刘吉成陶建国哈尔滨工业大学机器人技术及系统国家重点实验室哈尔滨150080

轮地相互作用地面力学在月球车的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,是目前基于动力学进行月球车相关研究的瓶颈。基于此,利用针对月球车开发的车轮—土壤相互作用测试系统进行试验,结合试验数据对传统车辆轮地相互作用正... 详细信息

轮地相互作用地面力学在月球车的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,是目前基于动力学进行月球车相关研究的瓶颈。基于此,利用针对月球车开发的车轮—土壤相互作用测试系统进行试验,结合试验数据对传统车辆轮地相互作用正应力和切应力分布模型进行修正,并分析月球车轮刺高度对应力分布的影响,从而提出随滑转率变化改变沉陷指数的经验公式,以反映土壤侧向流动等引起的滑转沉陷。对应力分布公式积分得到集中力/力矩计算模型,并结合试验数据进行验证。在载荷为80N,滑转率从0.05增加到0.6时,模型对于车轮垂直载荷、挂钩牵引力和驱动力矩的计算值与试验数据相比,相对误差不超过10%。模型能够反映滑转沉陷和轮刺效应,可以有效地用于月球车轮地相互作用力学的计算。

关键词：地面力学月球车轮地相互作用滑转率轮刺

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轮地力学模型参数灵敏度分析与主参数估计

航空学报 2021年第1期42卷 246-258页

作者：周如意丰文浩邓宗全高海波丁亮李楠哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室哈尔滨150080

在星球探测过程中,星球车需要估计地面力学参数以及时调整控制策略.快速适应地形变化。针对形式复杂,参数耦合的轮地相互作用模型,采用Sobol灵敏度分析方法,分别对模型中的地面承压特性参数和剪切特性参数的灵敏度进行定量分析,筛选出... 详细信息

在星球探测过程中,星球车需要估计地面力学参数以及时调整控制策略.快速适应地形变化。针对形式复杂,参数耦合的轮地相互作用模型,采用Sobol灵敏度分析方法,分别对模型中的地面承压特性参数和剪切特性参数的灵敏度进行定量分析,筛选出沉陷指数与内摩擦角作为模型的主导参数,用于反映地面承压特性和剪切特性的变化。基于轮地相互作用力学平衡方程,通过简化应力分布公式,进一步推导出主导参数的解析表达式。通过以典型值固定非主导参数.利用系统状态参数和滤波处理完成地面力学特性主导参数的估计。结果表明,所提出的地面力学主导参数解析式及相应的估计方法能够快速反映地形的变化,沉陷指数估计的平均相对误差为2.8%.内摩擦角估计的平均相对误差小于3%。估计结果可准确预测车轮牵引力,为实现实时控制提供必要信息。

关键词：灵敏度分析:参数估计轮地相互作用主导参数解析模型

基于有限元与逆向工程的轮-沙耦合沉降试验研究

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科学技术与工程 2018年第2期18卷 345-351页

作者：郭腾鹏侯亮陈鼎杨超平吴雄峰厦门大学航空航天学院机电工程系厦门361005

小型轮式车辆与松软沙地的相互作用会显著地影响车辆的稳定性与安全性,研究二者之间的承压关系对无人地面车辆的设计与应用具有重要意义。利用ABAQUS建立了小型轮式车辆与松软沙地的承压模型,通过自行开发的车轮-土壤相互作用测试系统... 详细信息

小型轮式车辆与松软沙地的相互作用会显著地影响车辆的稳定性与安全性,研究二者之间的承压关系对无人地面车辆的设计与应用具有重要意义。利用ABAQUS建立了小型轮式车辆与松软沙地的承压模型,通过自行开发的车轮-土壤相互作用测试系统进行试验,在综合考虑了轮胎和沙地的非线性变形后,建立了5种胎压下轮胎的整合径向静刚度,利用二元线性回归分析法拟合试验数据,确定胎压-负荷-下沉量三者之间的相互关系。针对轮胎在松软地面接地印迹难于提取问题,提出了利用逆向工程技术来完成接地印迹曲面重构设计,进一步验证了耦合模型的准确性,为无人地面车辆性能的改进及新型行走机构的设计制造提供了参考依据。

关键词：有限元无人地面车辆轮地相互作用逆向工程

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基于图像处理的星球车沉陷量检测方法研究

基于图像处理的星球车沉陷量检测方法研究

作者：吕凤天哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

星球探测任务要求星球车在崎岖地形具有良好的移动性能。轮地相互作用对星球车在复杂地形的移动性能有着重要的影响。车轮沉陷量是评价和预测轮地相互作用情况的关键变量。检测星球探测车车轮沉陷量对于星球探测车的移动控制优化和预防... 详细信息

星球探测任务要求星球车在崎岖地形具有良好的移动性能。轮地相互作用对星球车在复杂地形的移动性能有着重要的影响。车轮沉陷量是评价和预测轮地相互作用情况的关键变量。检测星球探测车车轮沉陷量对于星球探测车的移动控制优化和预防陷车具有重要意义。以往的大多数研究人员主要是通过试验来确定沉陷量的预估模型,本文主要从车轮沉陷的轮地作用图像角度对沉陷量的检测算法进行了研究。本文研究了轮地作用图像的增强算法,针对轮地作用图像特性,对传统的图像增强算法进行了改进,提出了饱和度动态分段非线性增强算法。并从增强前后图像的信息熵、对比度、清晰度和边缘锐度对该算法进行了评价,主要指标优于指数增强、直方图均衡化以及饱和度直方图规定化。结合饱和度动态分段非线性增强算法,对增强后的彩色图像的车轮区域进行了地面反射色彩的去除。通过轮地作用图像的增强,使得地面区域和车轮区域色彩特征区别明显,为图像分割奠定了基础。定义了复杂地面工况下车轮沉陷量,建立了基于轮地作用边界特征的车轮沉陷量计算模型。通过分析轮地作用边界的形态学特征,对轮地作用边界特征进行了数学描述。为了提取车轮区域轮廓线,对轮地作用图像进行了分割。结合分割后图像边缘及轮地接触形态学特征提取出了轮地作用边界。利用轮地作用边界的数据和沉陷量估计模型,可以对车轮沉陷深度、进入角和离去角进行有效的估计。利用带有视觉采集系统的轮地作用测试平台对沉陷量检测算法进行了试验验证。在平坦地面对算法的精度进行了检测,试验数据证明沉陷深度的检测精度较高,相对误差约为10%,通过改变拍照角度的试验对图像校正算法进行了验证,在平坦地面进行了车轮沉陷量的动态检测进行了验证,在平坦、凸起、凹陷、高低不平多种地形工况下对算法的适用性进行了试验验证。

关键词：车轮沉陷量视觉检测轮地作用边界轮地相互作用饱和度增强