陸地和空中機器人協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn).pdf

1、機器人作為一種集成了多項先進技術(shù)的高級工具，正在對人類社會產(chǎn)生越來越廣泛的影響。在工業(yè)領(lǐng)域，機器人已經(jīng)極大地提高了生產(chǎn)效率并將繼續(xù)下去；在服務(wù)領(lǐng)域，機器人正在快速的改善人們的生活質(zhì)量；在軍事領(lǐng)域，機器人可能將會改變未來戰(zhàn)爭形態(tài)。相比于工業(yè)機器人，移動機器人靈活機動，可以執(zhí)行更加豐富的任務(wù)。單個移動機器人攜帶的資源有限，其執(zhí)行任務(wù)的能力受到限制。研究多移動機器人協(xié)作系統(tǒng)，實現(xiàn)資源互補，可以顯著增強系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)能力，遠遠大于多個移動機器人的

2、線性累加。
　　陸地機器人可以獲得詳細的地面環(huán)境信息并執(zhí)行任務(wù)，空中機器人可以獲得大范圍的三維空間環(huán)境信息，為陸地機器人執(zhí)行任務(wù)提供全局參考。因此，研究陸地和空中機器人協(xié)同控制具有重要意義，在搜索、救援、偵查、巡防、勘探等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
　　陸地和空中機器人協(xié)同控制問題屬于異構(gòu)多智能體系統(tǒng)(Heterogeneous multi-agent System)研究范疇。本課題設(shè)計的陸地機器人是一輛電動兩輪無人車，空中機器人是

3、一架電動四旋翼無人飛行器。本文主要工作在于設(shè)計并實現(xiàn)了陸地和空中機器人協(xié)同控制系統(tǒng)，可以作為異構(gòu)多智能體協(xié)同控制算法驗證平臺，并基于領(lǐng)航者法實現(xiàn)了編隊控制。
　　首先就多智能體協(xié)同控制理論基礎(chǔ)進行介紹，為下文研究奠定基礎(chǔ)。準確測量系統(tǒng)狀態(tài)、正確建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型、合理設(shè)計系統(tǒng)控制器是設(shè)計機器人控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)狀態(tài)量的測量是一切工作的基礎(chǔ)。因此，本文詳細介紹了廣泛用于移動機器人狀態(tài)測量的低成本航姿參考系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，提出了簡便高

4、效的快速現(xiàn)場標定方法和適用范圍更廣的非線性互補濾波器，通過實驗測試了低成本航姿參考系統(tǒng)的準確性。然后，分別建立了陸地機器人和空中機器人數(shù)學(xué)模型并設(shè)計了位姿控制器。將陸地機器人控制過程合理分解，方便的實現(xiàn)了陸地機器人的位姿控制。在建立空中機器人動力學(xué)模型的過程中考慮了執(zhí)行機構(gòu)動態(tài)過程和空氣動力學(xué)效應(yīng)，根據(jù)空中機器人的動力學(xué)特點，設(shè)計了串級控制器，采用反饋線性化的方法，設(shè)計了帶有前饋控制的PID控制器，通過實際飛行實驗驗證了所建立的數(shù)學(xué)模型