基于动力学的高速轮式机器人漂移运动控制方法研究

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能够高速、高机动地行驶是轮式移动机器人研制的主要目标之一。本文针对四轮独立驱动的高速轮式滑动转向移动机器人,围绕机器人高速行驶状态下的动力学模型及漂移控制方法进行研究,主要工作包括以下三个方面:  1)针对机器人在高速机动状态尤其是漂移状态下轮胎存在明显滑动并且失去运动学约束的问题,本文建立了适用于正常行驶状态(轮胎无明显滑动)和漂移状态(有纵向或横向的明显滑动,或同时存在)的统一动力学模型。本文首先引述了统一轮胎模型,阐述了如何计算漂移工况下地面对轮胎摩擦力;然后,以统一轮胎模型为基础对移动机器人进行了动力学建模,得到了其动力学方程,并对方程特点进行了分析。  2)针对机器人具有强耦合、冗余驱动、非线性等特点,本文以动力学模型为基础,设计了一种面向姿态角及姿态角速度跟踪的漂移运动控制器。首先,为了将动力学模型应用到漂移过程的姿态跟踪控制任务中,对姿态动力学方程进行了近似化处理;然后,借鉴线性滤波降阶方法设计了一种基于动力学的漂移运动控制器;最后,以NK-Rover2高速轮式移动机器人为基础,通过仿真与实验两方面对漂移运动控制器的性能进行了实验验证。实验结果表明,漂移运动控制器基本有效,可以完成基本的姿态漂移任务。  3)针对视觉导航、GPS等定位方法实时性差,不能满足高速漂移控制任务的问题,本文设计实现了高实时性的位置速度测量单元,为移动机器人定位提供了一种新的方法。
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