欠驅(qū)動球形機(jī)器人縱向運(yùn)動控制方法研究.pdf

1、球形機(jī)器人又可稱為球形車輛，是一種新式的欠驅(qū)動移動載體，由于其擁有密封良好、欠驅(qū)動、轉(zhuǎn)向靈活等特性使其對環(huán)境表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)力和耗能低的特點(diǎn)，在工業(yè)、軍事、未知空間探索等領(lǐng)域內(nèi)有著極其廣泛的應(yīng)用前景。自從該類機(jī)器人出現(xiàn)以來便得到了各國機(jī)器人科研人員的廣泛關(guān)注。本文所研究的球形移動機(jī)器人的運(yùn)動可以通過原地轉(zhuǎn)向和縱向直行運(yùn)動分步完成，并且，縱向運(yùn)動是該類機(jī)器入主要的運(yùn)動形式，對縱向運(yùn)動的有效控制直接關(guān)系到該類機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的效果。所以，本文

2、的主要研究內(nèi)容是對縱向滾動狀態(tài)下球形機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)的控制研究。
　　首先，利用矢量力學(xué)的方法詳細(xì)介紹了球形機(jī)器人縱向滾動狀態(tài)下的動力學(xué)模型的建模過程，鑒于在探測環(huán)境中機(jī)器人所受到的滾動摩阻不可避免地會影響機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，經(jīng)過對機(jī)器人狀態(tài)空間方程的深入分析和研究，推導(dǎo)出了球形機(jī)器人保持平衡運(yùn)動狀態(tài)的條件。
　　其次，結(jié)合球形機(jī)器人這類典型的欠驅(qū)動系統(tǒng)，同時考慮到滑模變結(jié)構(gòu)控制對非線性控制系統(tǒng)具有一定的魯棒性，設(shè)計(jì)一種分層滑模

3、變結(jié)構(gòu)的控制策略。同時，針對地面滾動摩阻的不確定性，提出對地面滾動摩阻進(jìn)行自適應(yīng)估計(jì)的控制方法，選取適當(dāng)?shù)腖yapunov函數(shù)證明系統(tǒng)在所設(shè)計(jì)的控制器的作用下是穩(wěn)定的，并通過仿真分析檢驗(yàn)所提出的控制策略的有效性。
　　再次，針對球形機(jī)器人狀態(tài)不能夠直接測量的現(xiàn)實(shí)情況以及地面滾動摩阻的不確定性，應(yīng)用擴(kuò)張觀測器的相關(guān)技術(shù)，給出一種基于擴(kuò)張觀測器的球形機(jī)器人分層滑?？刂品椒?，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測器獲得系統(tǒng)狀態(tài)信息和滾動摩阻的估計(jì)值。應(yīng)用Ly

4、apunov穩(wěn)定性定理，從理論上證明擴(kuò)張觀測器的穩(wěn)定性以及控制系統(tǒng)在此控制方法作用下的穩(wěn)定性，并通過控制系統(tǒng)仿真分析驗(yàn)證所提出的控制方法的有效性。
　　最后，針對球形機(jī)器人這類欠驅(qū)動、強(qiáng)耦合的非線性系統(tǒng)控制難度大的問題，并且考慮到在滾動摩阻的作用下內(nèi)置懸架始終處于不規(guī)則的振動狀態(tài)，此狀態(tài)會對機(jī)器人成像效果帶來惡劣影響，探索性地提出利用磁流變效應(yīng)對機(jī)器人的內(nèi)置懸架進(jìn)行主動抑振的控制思路。提出磁流變主動抑振的具體實(shí)現(xiàn)方案，然后通過矢量