本文關(guān)鍵詞：輪式移動(dòng)機(jī)器人滑轉(zhuǎn)率預(yù)測及遙操作技術(shù)研究

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【摘要】：近年來,隨著輪式移動(dòng)機(jī)器人(Wheeled Mobile Robot-WMR)在許多領(lǐng)域起著越來越重要的作用(例如:星球探測、野外災(zāi)害救援等),吸引了許多學(xué)者對它進(jìn)行各方面的研究。目前,對于WMR的研究多數(shù)是基于車輪純滾動(dòng)的理想假設(shè)進(jìn)行的。然而,當(dāng)WMR行駛在松軟地形(比如星球表面)上時(shí),輪地接觸表面會(huì)產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象,這會(huì)對WMR的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型帶來干擾,導(dǎo)致對WMR的遙操作變得極為復(fù)雜。因此,有必要針對具有滑轉(zhuǎn)干擾的WMR進(jìn)行遙操作控制的研究。為了補(bǔ)償操作者對從端WMR運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及環(huán)境的感知能力,本文基于開放式動(dòng)力學(xué)引擎Vortex,在前期研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善了前期所開發(fā)的WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測平臺(tái)——ROSTDyn 1.1。針對WMR在任意工況下的任意運(yùn)動(dòng),完善了輪地接觸模型相關(guān)參數(shù)的解算算法,并引入阻尼項(xiàng)來緩沖法向震動(dòng)來維持預(yù)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性;采用增加解算頻率和降低圖像刷新頻率的策略來進(jìn)一步提高預(yù)測速度和預(yù)測精度。預(yù)測速度測試結(jié)果表明ROSTDyn 1.1能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)仿真;實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的對比證明了其具有較好的保真度。為了消除由預(yù)測模型的局限性以及土壤參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致的滑轉(zhuǎn)率預(yù)測誤差,本文提出了一個(gè)模型參數(shù)在線修正方法。通過數(shù)據(jù)辨識(shí)方法消除數(shù)據(jù)中的異步誤差之后,針對最敏感參數(shù),結(jié)合動(dòng)力學(xué)預(yù)測誤差推導(dǎo)了它們的修正模型;同時(shí),為了消除預(yù)測模型的非線性,提出了有效系數(shù)的概念。采用ROSTDyn 1.1和WMR原理樣機(jī)進(jìn)行的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出參數(shù)在線修正方法能夠快速地消除滑轉(zhuǎn)率的預(yù)測誤差。針對在松軟地形下的WMR雙向遙操作問題,本文首先建立了在車輪滑轉(zhuǎn)下的WMR運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;無源性理論分析表明當(dāng)滑轉(zhuǎn)率導(dǎo)數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí),WMR/地形環(huán)境端呈現(xiàn)出一定程度的有源性。本文提出了基于TDPC和SOP的補(bǔ)償策略來補(bǔ)償環(huán)境端的有源性,并采用Llewellyn準(zhǔn)則來保證WMR雙向遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性;同時(shí),提出了三種穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法來消除固定通信時(shí)延的影響。最后,采用搭建的WMR雙向遙操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本文提出的方法能夠有效地補(bǔ)償環(huán)境端的有源性以及通信時(shí)延的干擾,并產(chǎn)生穩(wěn)定的WMR雙向遙操作系統(tǒng),且具有較好的位置-速度跟蹤性能和力透明性。針對具有轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)和滑轉(zhuǎn)的WMR雙邊遙操作問題,建立了受左右兩側(cè)車輪滑轉(zhuǎn)影響的WMR運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,基于無源性分析證明了WMR/地形環(huán)境端是潛在有源的。設(shè)計(jì)了具有二維運(yùn)動(dòng)的WMR雙向遙操作系統(tǒng),提出了新的環(huán)境端有源性補(bǔ)償算法;采用無源性分析方法保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和力透明性。WMR遙操作實(shí)驗(yàn)證明本文提出的設(shè)計(jì)方法在WMR的前進(jìn)線速度和轉(zhuǎn)向角速度上都能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的跟蹤性能,且在這兩個(gè)維度上都能較好的感知環(huán)境端力。在高危地形下,當(dāng)WMR遙操作系統(tǒng)無法獲取到足夠反饋信息來保證操作性能時(shí),本文基于WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測平臺(tái)提出了一個(gè)新的WMR三向遙操作預(yù)測共享控制架構(gòu),預(yù)測端和從端WMR的線速度和主端機(jī)器人的位置通過共享控制策略相互跟蹤。預(yù)測平臺(tái)與從端機(jī)器人環(huán)境端的有源性則分別采用本文提出的SOP補(bǔ)償策略進(jìn)行補(bǔ)償;通過保證該系統(tǒng)的無源性來保證WMR遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性;理論分析表明在此架構(gòu)下,操作者感知到的反饋力大致為預(yù)測端與從端之和。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的WMR三向遙操作能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的控制系統(tǒng),且明顯地提高了操作者對從端環(huán)境以及其他信息的感知能力。本文的研究成果為具有滑轉(zhuǎn)的WMR動(dòng)力學(xué)預(yù)測及遙操作系統(tǒng)研究提供了研究基礎(chǔ)及方案,為我國后續(xù)的星球車探測任務(wù)提供了參考。
【關(guān)鍵詞】：輪式移動(dòng)機(jī)器人 滑轉(zhuǎn)率預(yù)測 遙操作 穩(wěn)定性 透明性
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V476;V556
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第1章 緒論15-32
• 1.1 研究目的及意義15-16
• 1.2 WMR遙操作技術(shù)研究現(xiàn)狀16-29
• 1.2.1 WMR動(dòng)力學(xué)預(yù)測及參數(shù)辨識(shí)研究現(xiàn)狀16-19
• 1.2.2 機(jī)器人遙操作系統(tǒng)研究現(xiàn)狀19-21
• 1.2.3 WMR遙操作系統(tǒng)研究現(xiàn)狀21-24
• 1.2.4 遙操作系統(tǒng)時(shí)延補(bǔ)償策略24-26
• 1.2.5 遙操作系統(tǒng)穩(wěn)定性和透明性研究現(xiàn)狀26-29
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比及存在的挑戰(zhàn)29-30
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容30-32
• 第2章 WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測平臺(tái)輪地接觸算法研究32-48
• 2.1 引言32
• 2.2 前期研究及WMR輪地接觸模型介紹32-34
• 2.2.1 前期研究32-33
• 2.2.2 WMR輪地接觸模型33-34
• 2.3 WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測平臺(tái)（ROSTDyn 1.1）關(guān)鍵算法改進(jìn)34-42
• 2.3.1 輪地接觸參數(shù)解算模塊改進(jìn)35-38
• 2.3.2 輪地接觸力/力矩解算模塊改進(jìn)38-42
• 2.3.3 ROSTDyn 1.1 滑轉(zhuǎn)率預(yù)測機(jī)制42
• 2.4 ROSTDyn 1.1 預(yù)測速度測試42-43
• 2.5 ROSTDyn 1.1 保真度驗(yàn)證43-47
• 2.6 本章小結(jié)47-48
• 第3章 提高WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測精度的參數(shù)在線修正方法研究48-69
• 3.1 引言48
• 3.2 ROSTDyn 1.1 預(yù)測誤差種類及異步誤差消除方法48-51
• 3.3 提高WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測精度的參數(shù)在線修正算法51-60
• 3.3.1 WMR滑轉(zhuǎn)率對模型參數(shù)的敏感度分析51-53
• 3.3.2 針對參數(shù)φ和K的在線修正算法53-55
• 3.3.3 修正過程中輪地接觸模型非線性的補(bǔ)償算法55-59
• 3.3.4 修正過程中保證修正方法收斂性的約束條件59-60
• 3.4 模型參數(shù)在線修正方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證60-68
• 3.4.1 動(dòng)力學(xué)預(yù)測誤差對修正方法的影響實(shí)驗(yàn)62-64
• 3.4.2 針對固定地形下滑轉(zhuǎn)率的參數(shù)修正實(shí)驗(yàn)64-66
• 3.4.3 針對隨地形參數(shù)改變滑轉(zhuǎn)率的參數(shù)修正實(shí)驗(yàn)66-68
• 3.5 本章小結(jié)68-69
• 第4章 考慮車輪滑轉(zhuǎn)的WMR雙向遙操作控制算法研究69-103
• 4.1 引言69
• 4.2 考慮車輪滑轉(zhuǎn)的WMR的雙向遙操作系統(tǒng)主從端建模69-73
• 4.2.1 考慮車輪滑轉(zhuǎn)的WMR運(yùn)動(dòng)學(xué)建模69-71
• 4.2.2 僅考慮前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的從端機(jī)器人建模71-73
• 4.2.3 1DOF主端機(jī)器人建模73
• 4.3 從端環(huán)境可測的WMR雙向遙操作控制算法設(shè)計(jì)73-77
• 4.3.1 基于TDPC的環(huán)境端有源性補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)74-76
• 4.3.2 WMR雙向遙操作控制律設(shè)計(jì)76-77
• 4.4 從端環(huán)境不可測的保守WMR雙向遙操作控制算法設(shè)計(jì)77-80
• 4.4.1 基于SOP的環(huán)境端有源性補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)78
• 4.4.2 WMR雙向遙操作控制律設(shè)計(jì)78-80
• 4.5 WMR遙操作系統(tǒng)的定時(shí)延補(bǔ)償控制算法研究80-88
• 4.5.1 基于Llewellyn準(zhǔn)則的時(shí)延補(bǔ)償控制算法81-82
• 4.5.2 基于Llewellyn準(zhǔn)則和波變換的時(shí)延補(bǔ)償控制算法82-85
• 4.5.3 基于無源性分析和波變換的時(shí)延補(bǔ)償控制算法85-88
• 4.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證88-101
• 4.6.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建88-89
• 4.6.2 基于TDPC的雙向遙操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證89-94
• 4.6.3 基于SOP的雙向遙操作實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證94-97
• 4.6.4 WMR雙向遙操作定時(shí)延補(bǔ)償算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證97-101
• 4.7 本章小結(jié)101-103
• 第5章 轉(zhuǎn)向及滑轉(zhuǎn)綜合作用的WMR雙向遙操作控制算法研究103-122
• 5.1 引言103
• 5.2 轉(zhuǎn)向及滑轉(zhuǎn)耦合作用的WMR雙向遙操作主從端建模103-112
• 5.2.1 轉(zhuǎn)向及滑轉(zhuǎn)耦合作用的WMR運(yùn)動(dòng)學(xué)建模103-107
• 5.2.2 考慮轉(zhuǎn)向的從端機(jī)器人建模107-109
• 5.2.3 2DOF主端機(jī)器人建模109-112
• 5.3 轉(zhuǎn)向及滑轉(zhuǎn)耦合的WMR雙向遙操作控制算法設(shè)計(jì)112-118
• 5.3.1 從端環(huán)境不可測的有源性保守補(bǔ)償算法112-114
• 5.3.2 考慮轉(zhuǎn)向的WMR雙向遙操作控制律設(shè)計(jì)114-117
• 5.3.3 定時(shí)延對WMR雙向遙操作控制律的影響及分析117-118
• 5.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證118-121
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建118-119
• 5.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果119-121
• 5.5 本章小結(jié)121-122
• 第6章 基于預(yù)測平臺(tái)的WMR三向共享式遙操作控制算法研究122-140
• 6.1 引言122
• 6.2 WMR三向遙操作共享控制策略122-125
• 6.3 WMR三向遙操作控制算法穩(wěn)定性設(shè)計(jì)125-128
• 6.4 WMR三向遙操作控制算法力透明性分析128-130
• 6.5 應(yīng)用于星球探測車的三向遙操作方案130-131
• 6.6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證131-139
• 6.6.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建132-133
• 6.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果133-139
• 6.7 本章小結(jié)139-140
• 結(jié)論140-142
• 參考文獻(xiàn)142-154
• 附錄154-155
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果155-158
• 致謝158-159
• 個(gè)人簡歷159

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本文編號：1013505