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基于视觉传感器的移动机器人崎岖地面协调控制

基于视觉传感器的移动机器人崎岖地面协调控制

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作者：刘星哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

伴随着对机器人技术研究的日益加深，移动机器人技术和机器人视觉技术已经成为研究的一个热点。本课题在国家自然科学基金项目“轮式机器人在崎岖地面的低能耗通过性控制的方法研究（60775060）”的支持下，搭建移动机器人的视觉系统和... 详细信息

伴随着对机器人技术研究的日益加深，移动机器人技术和机器人视觉技术已经成为研究的一个热点。本课题在国家自然科学基金项目“轮式机器人在崎岖地面的低能耗通过性控制的方法研究（60775060）”的支持下，搭建移动机器人的视觉系统和运动控制系统，在机器人的视觉测量和多轮协调控制等方面做出探索。首先，在综合国内外移动机器人控制系统和视觉伺服基础上，设计了一个机器人的总体控制系统，包括一个独立的视觉测量系统和与其配合的机器人运动控制系统。上位机的视觉系统采用一款工业PC机主板GENE-QM57作为视觉处理单元，能够快速实现移动机器人运动速度的测量。下位机采用带有PC/104总线的工控机作为运动控制系统，通过CAN总线控制各轮电机驱动器，利用舵机控制板控制转向舵机，在此基础上根据视觉反馈和其他辅助传感器的帮助，进行移动机器人的轮速协调控制。其次，设计了一个单/双目结合的视觉测量系统。为了实现移动机器人在各种地形下的运动速度信息的测量，我们选择了抗干扰能力强的纹理信息类型的区域特征匹配方式。进行了视觉系统中的各个坐标系的定义和坐标系之间转换的推导，由此推导出视觉测量机器人绝对速度的求解方法。同时根据工作环境的不同，提出了平坦地面下机器人的单目视觉速度测量方法，及在崎岖地面下对单目视觉测量引入了双目校正系统，对视觉测量系统的距离参数z c进行校正。再次，本文利用坐标系变换的方法，对崎岖地面上的轮式移动机器人样机进行了运动学建模与分析，并提出了一种适用于刚性地面的视觉接地角测量方法，对获得机器人的姿态信息实现了进一步补充。利用该机器人自带的被动第五轮结构，在运动学推导的基础上，对机器人的滑转率进行估计，与视觉滑转率测量值互相验证。结合前文视觉测量系统获得的机器人速度信息，我们进行了交叉耦合多轮速度协调控制模型的研究，确定了交叉耦合增益系数的选取。最后，本文在移动机器人样机上分别对硬地与沙地等多种地形下的视觉速度测量系统及机器人协调控制系统进行了测试，同时验证视觉接地角估计算法。实验中采集了各轮的速度信息、机器人速度信息和滑转率信息，并进行了分析，验证了视觉测量系统和协调控制算法的有效性。

关键词：铰接轮式机器人视觉系统运动学协调控制崎岖地面

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崎岖地面移动机器人运动与估计关键技术研究

崎岖地面移动机器人运动与估计关键技术研究

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作者：张振宇哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着现代化技术的发展,对机器人的研究也日益加深,特别是崎岖地面上的移动机器人技术已经成为研究的一个热点。本课题在国家自然科学基金项目“轮式机器人在崎岖地面的低能耗通过性控制的方法研究(60775060)”的支持下,搭建崎岖地面移... 详细信息

随着现代化技术的发展,对机器人的研究也日益加深,特别是崎岖地面上的移动机器人技术已经成为研究的一个热点。本课题在国家自然科学基金项目“轮式机器人在崎岖地面的低能耗通过性控制的方法研究(60775060)”的支持下,搭建崎岖地面移动机器人控制系统,研究机器人运动学及相关特性,对机器人车体及轮地接触等相关信息做出探索。首先,在综合目前国内外移动机器人控制系统研究现状和发展趋势的前提下,搭建一种结构简单,易于实现,可移植,兼容性好,稳定性强的移动机器人控制系统。课题选择了带有PC/104总线的工控机作为主控单元,以CAN总线作为电机驱动器控制总线,转向舵机控制卡控制转向电机、IMU单元等控制器和传感器作为辅助设备,目的是能够良好的控制移动机器人的动作,同时能够以直接或间接方式得到移动机器人的姿态,接地角以及驱动电机的电流,转速等相关信息。其次,根据现有移动机器人平台,应用坐标变换的方法,建立运动学模型,并分析其相关特性。在运动学建模的过程中,考虑滑转和滑移以及接地角;针对移动机器人平台前后倾角及侧倾角可以调节的特点,在运动学模型建立过程中做出相关推导;此外,分析前后倾角及侧倾角的调节对车体运动带来的影响。基于运动学推导移动机器人常用的几种机动模式控制方法。第三,基于运动学模型及刚体运动原理,在地形已知的情况下,对轮地接触角(简称接地角)估计做出仿真研究,在地形未知的情况下给出接地角估计公式,针对IMU及关节码盘等传感器回读的数值与真值之间存在偏差的情况,采用UKF滤波的方法进行滤波,减小偏差,使得对于姿态和接地角等信息的估计更加准确。另外,基于运动学的原理,推导带有从动第五轮的机器人滑转率估计方法。最后,课题对几种常用机动模式分别进行硬地与沙地行走实验,验证控制系统硬件的稳定性,同时验证控制软件的有效性。此外,进行崎岖地面试验台行走实验与沙地典型崎岖地面行走实验,验证接地角估计算法与滑转率估计算法。在上述实验过程中,均采集车体俯仰、横滚、偏航角度,各驱动电机转速、电流等信息,并进行分析。

关键词：铰接轮式机器人可重构控制系统复合倾角运动学接地角

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