輪式移動機器人的結構設計【CAD高清圖紙和文檔】
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畢業(yè)設計(論文)任務書I、畢業(yè)設計(論文)題目:輪式移動機器人的結構設計II、畢 業(yè)設計(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設計技術要求: 以輪式機器人為研究對象,完成機器人的結構設計,機器人的前進、后退、360度范圍轉動。 III、畢 業(yè)設計(論文)工作內容及完成時間:1、開題報告 2 周2、總體方案設計 3 周3、零部件的結構設計 3 周4、計算與強度校核 3 周5、外文資料翻譯(不少于6000實詞) 1 周6、畢業(yè)論文整理及答辯準備 1 周 、主 要參考資料: 1.孫恒等主編.機械原理(第六版).高等教育出版社,2001. 2.馬香峰主編.工業(yè)機器人的操作機設計.冶金工業(yè)出版社,1996. 3.宗光華 張慧慧議.機器人設計與控制.科學出版社,2004. 4.李志尊.UG NX CAD 基礎應用與范例解析M.機械工業(yè)出版,2004 5. Y.Fujimoto and A.Kawamura. Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation WalkingRobot Including Environmental Force Interaction. IEEE Robotic and Automation Magzine,1988,5(2):33-42. 42 航空工程 系 機械設計制造及自動化 專業(yè)類 0881054 班學生(簽名): 填寫日期: 2012 年 2 月 20 日指導教師(簽名): 助理指導教師(并指出所負責的部分): 系主任(簽名):附注:任務書應該附在已完成的畢業(yè)設計說明書首頁。畢業(yè)設計(論文)開題報告題目 輪式移動機器人的結構設計專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及自動化班 級 學 號 088105406學 生 姓 名 鄧文文指 導 教 師 許瑛填 表 日 期 2012 年 3 月 10 日南昌航空大學科技學院學士學位論文開題報告1、 選題的依據(jù)及意義: 輪式移動機器人具有良好的穩(wěn)定性、較快的移動能力等優(yōu)點,在足球機器人比賽等領域得到了廣泛的應用。機器人的應用越來越廣泛,幾乎滲透到所有領域。移動機器人是機器人學中的一個重要分支。早在60 年代,就已經開始了關于移動機器人的研究。關于移動機器人的研究涉及許多方面,首先,要考慮移動方式,可以是輪式的、履帶式、腿式的,對于水下機器人,則是推進器。其次,必須考慮驅動器的控制,以使機器人達到期望的行為。第三,必須考慮導航或路徑規(guī)劃,對于后者,有更多的方面要考慮,如傳感融合,特征提取,避碰及環(huán)境映射。因此,移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。對移動機器人的研究,提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術課題,引起越來越多的專家學者和工程技術人員的興趣,更由于它在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應用前景,使得對它的研究在世界各國受到普遍關注。二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢(含文獻綜述): 2.1 國外移動機器人的發(fā)展概況 2.1.1 室外幾種典型應用移動機器人 美國國家科學委員會曾預言:“20 世紀的核心武器是坦克,21 世紀的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng),其中2000 年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊,并走向戰(zhàn)場”。為此,從80年代開始,美國國防高級研究計劃局(DARPA) 專門立項,制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此,在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計算機”計劃中的自主地面車輛(ALV) 計劃(1983 1990) ,能源部制訂的為期10 年的機器人和智能系統(tǒng)計劃(RIPS)(1986 1995) ,以及后來的空間機器人計劃; 日本通產省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃;歐洲尤里卡中的機器人計劃等。 初期的研究,主要從學術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理,并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高,導致室外機器人的研究未達到預期的效果,但卻帶動了相關技術的發(fā)展,為探討人類研制智能機器人的途徑積累了經驗,同時,也推動了其它國家對移動機器人的研究與開發(fā)。進入90年代,隨著技術的進步,移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎上,開拓各個應用領域,向實用化進軍(圖2-11a、b)。 (a) (b) 圖2-11 實用化機器人 由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機器人(圖2-11c),是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人。它與其他機器人,如NavLab ,不同之處是它于1994年在斯珀火山的火山口中進行了成功的演示,雖然在返回時,在一陡峭的、泥濘的路上,失去了穩(wěn)定性,倒向了一邊,但作為指定的探險任務早己完成。其它機器人(圖2-11d)在整個運動過程中,都需要人參與或支持。丹蒂計劃的主要目標是為實現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的表面進行探索而提供一種機器人解決方案。 (c) (d) 圖2-11 八足行走機器人 美國NASA研制的火星探測機器人索杰納(圖2-11e)1997年登上火星,這一事件向全世界進行了報道。為了在火星上進行長距離探險,又開始了新一代樣機的研制,命名為Rocky7(圖2-11f),并Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的實驗。 (e) (f) 圖2-11 索杰納 圖2-11 Rocky7 德國研制了一種輪椅機器人(圖2-11g), 并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進行了實地現(xiàn)場表演。該輪椅機器人在公共場所擁擠的、有大量乘客的環(huán)境中,進行了超過36 個小時的考驗,所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機器人或移動機器人所不可比的。這種輪椅機器人是在一個商業(yè)輪椅的基礎上實現(xiàn)的。 (g) 圖2-11 輪椅機器人 國外還研制了一種獨輪機器人(圖2-11h、i),它與具有靜態(tài)穩(wěn)定性的多輪移動機器人相比,具有很好的動態(tài)穩(wěn)定性,對姿態(tài)干擾的不敏感性,高可操作性,低的滾動阻力,跌倒的恢復能力和水陸兩用性。這是運動性的一種新概念。 (h) (i) 圖2-11 獨輪機器人 2.1.2高完整性機器人 沒有一個系統(tǒng)可以做到100%可靠。一個可靠機器人是指它一直正常地工作。一個高完整性機器人(圖2-12)則時刻監(jiān)視自己的行為,一旦發(fā)現(xiàn)異常,立即停止運轉。因此,一個高完整性機器人并不一定要連續(xù)工作,但工作時,一定是正確的。 圖2-12 高完整性機器人 2.1.3 遙控移動機器人 對機器自主性的挑戰(zhàn)來自要求完成的任務和高度非結構化和變化的環(huán)境。在大多數(shù)室外環(huán)境中,要求機器完全自主地完成任務,目前還有一定的困難。遠程操作的半自主機器人,毫無疑問,是一個發(fā)展方向。因此先進的遠程操作技術是將來必需的。完全遙現(xiàn)是實現(xiàn)遠程操作一個或幾個移動機器人的最佳可能方案,但太貴。研制一套適于遠程操作的、使用起來既自然又容易的人機交互方案是必需的(圖2-13)。在未知和變化的環(huán)境中,頭部跟蹤系統(tǒng)有幫助,且是可行的。 圖2-13 遙控移動機器人2.1.4 環(huán)境與移動機器人集成 H. Ishiguro 通過對以前機器人研究工作的回顧,發(fā)現(xiàn)過去智能機器人的工作主要集中在自主性上。因此,他提出了一個新概念:感知信息基礎設施。就象人需要道路、交通信號燈等一樣,機器人為了在一個動態(tài)變化的環(huán)境中行動,也同樣需要基礎設施。作者將一個用于導航移動機器人的分布式視覺系統(tǒng)作為例子,進行了解釋和說明。實驗在一個縮小了1/ 12 的城鎮(zhèn)模型中進行,內有陰影,樹的結構,草地和房屋,足夠代表室外環(huán)境的真實情況,并安裝了用于機器人導航用的16 個攝像機智能體,實現(xiàn)了移動機器人與環(huán)境的融合(圖2-14a、b、c)。 (a) (b) (c) 圖2-14 集成機器人2.2 國內移動機器人研究概況 國內在移動機器人的研究起步較晚,大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段,主要的研究工作有: 清華大學智能移動機器人(圖2-2a)于1994 年通過鑒定。涉及到五個方面的關鍵技術:基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術研究(準結構道路網環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃) ;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術研究(基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導航控制) ;路徑規(guī)劃的仿真技術研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內移動機器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬) ;傳感技術、信息融合技術研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術、信息融合技術) ;智能移動機器人的設計和實現(xiàn)(智能移動機器人THMR III 的體系結構、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術、自動駕駛)。 (a) 圖2-2 智能移動機器人 香港城市大學智能設計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人(圖2-2b)。 (b) 圖2-2 自動導航機器人汽車中國科學院沈陽自動化研究所的AGV(圖2-2c)和防爆機機器人(圖2-2d)。 (c) (d) 圖2-2 AGV機器人 圖2-2 防爆機機器人 中國科學院自動化所自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)(圖2-2e)。 (e) 圖2-2 全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學于1996 年研制成功的導游機器人等(圖2-2f)。 (f) 圖2-2 導游機器人 3、 研究內容及實驗方案: 本畢業(yè)設計課題是基于阿克曼原理的輪式移動機器人運動模型而進行的輪式機器人的結構設計,主要是為了實現(xiàn)前進、后退、360范圍轉動的輪式移動機器人。 課題主要完成輪式機器人機械方案設計,包括:驅動電機選擇、轉向電機的選擇及控制芯片的選擇;齒輪的設計計算和校核;前后減震系統(tǒng)以及轉向機構設計和車體的一些機械結構設計等。對輪式移動機器人的運動學特性進行了分析,建立了不考慮滑行、剎車等的輪式移動機器人的運動學模型。 1.機械結構部分包括機器人構成方案選擇、機器人本體機構設計和驅動電機的選擇 2.針對設計要求結合所選用的電機,討論系統(tǒng)設計的可靠性問題 四、目標、主要特色及工作進度 1、通過圖書館、上網查找大量書籍及相關資料 2 周 2、總體機構方案設計:運動形式、驅動形式的選擇、 3 周 驅動電機的選擇、轉向輪電機的選擇的選擇 3、機器人的運動學模型的分析 3周 4、控制系統(tǒng)的設計、機械零件設計計算 3周 5、外文資料翻譯(不少于6000實詞) 2周 6、畢業(yè)論文整理及答辯準備 2周 五、參考文獻 【1】、孫恒等主編.機械原理(第六版).高等教育出版社,2001. 【2】、馬香峰主編.工業(yè)機器人的操作機設計.冶金工業(yè)出版社,1996. 【3】、宗光華 張慧慧議.機器人設計與控制.科學出版社,2004. 【4】、李志尊.UG NX CAD 基礎應用與范例解析M.機械工業(yè)出版.2004. 【5】、劉金琨.先進PID控制及其MATLAB仿真M.北京:電子工業(yè)出版社.- 2003. 【6】、蔡自興.機器人學M.北京:清華大學出版社,2000. 【7】、張海根.機電傳動控制.高等教育出版社,2001.8:90-117 【8】、邱宣懷.機械設計(第四版).高等教育出版社,1996.10:204256,296308 【9】、Y.Fujimoto and A.Kawamura. Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation Walking Robot Including Environmental Force Interaction. IEEE Robotic and Automation Magzine,1988,5(2):33-42. 【10】、REN Xiaodong, FENG Zuren, CHANG Hong, MU Ruofeng. Kinematics modeling and analysis for three-wheel omnidirectional mobile robot-C/Proceedings of the 7th World Congress on Intelligent Control and Automation.China,2008:2608-2613. 【11】、SIEGWART R,NOUBAKHSH I R. Introduction to autonomous mobile robotM.MA,USA:MIT Press,2004:202-205 【12】、CHEN LEI,MA Jie,GAO Haibo.Kinematic modeling of eight-wheel lunar roverC/Proceeding of the 27 th Chinese Control Conference. Kunming,China,2008:346-350. 【13】、SONG Xiaokang,TAN Dalong, WU Zhenwei, WANG Yuechao. Kinematics modeling and analyses of all-terrain wheeled mobile robotJ.Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,44(6):148-154. 【14】、 Jagnnathan S, Zhu S Q, Lewis F L. Path planning and control of a mobile base withnon-holonomic constraints J. Robotica, 1994,12:529-539 【15】、RATNER D,MCKERROW P,Dynamics of the Titan three-wheel drive Mobile robot with floating Ackerman steering C/Brisbane,1999:14-4-149. 10 畢業(yè)設計(論文)題目: 輪式移動機器人的結構設計 系 別 航空工程系專業(yè)名稱 機械設計制造及自動化班級學號 088105406學生姓名 鄧文文指導教師 許瑛二O一二 年 五 月 輪式移動機器人的結構設計 學生姓名:鄧文文 班級:0881054 指導老師:許瑛 摘要:本文首先對機器人的國內為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹,同時根據(jù)設計要求對機器人的整體方案進行了分析,包括幾何尺寸、控制芯片的選擇。然后從機器人性能要求的角度出發(fā),分別對機器人的運動方式、模型結構和車體成型方式做了比較,最終確定了非完整約束輪驅四輪式移動結構模型后輪同軸驅動,前輪轉向的輪型機器人。 本文對移動機器人硬件結構做了詳細的可行性分析及設計,并且做了相應的計算、校核,主要包括:驅動輪電機和轉向輪電機的選擇;齒輪的設計計算和校核;前后減震系統(tǒng)以及轉向機構設計和車體的一些機械結構設計等。對輪式移動機器人的運動學特性進行了分析,建立了不考慮滑行、剎車等的輪式移動機器人的運動學模型。 最后,本文對所作研究和主要工作進行了總結,并將設計的輪式機器人的結構進行聯(lián)合調試。實驗結果表明,該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠,可控制性高,安全性高,達到了本設計的設計要求。 關鍵字:輪式移動機器人 運動學模型 結構設計 指導老師簽名:The structural design of the wheeled mobile robot Student name: Deng Wenwen Class: 0881054 Supervisor: Xu Ying Abstract: First in the paper for the domestic present situation of the development of the robot is presented, and according to the design requirements of the overall plan for robots are analyzed, including geometry size and control chip choice. Then from the Angle of robot performance requirements respectively, the robot mode of motion, model structure and body forming method are compared, final nonholonomic constraint four wheel drive wheeled mobile structure model, rear wheel drive coaxial, front wheel steering wheel robot. In this paper, the mobile robot hardware structure of a detailed feasibility analysis and design, and make the corresponding calculation, checking, mainly including: the drive wheels motor and motor turning wheels choice; The design of gear calculate and check; Before and after the damping system and steering mechanism design and some of the mechanical structure design of the body. Wheeled mobile robots to the kinematic characteristics, the paper builds dont consider taxi, brake of the robot kinematics model. Finally, this paper study and main work are summarized, and the wheel will design the structure of the robot joint debugging. The experimental results show that the system has stable performance, reliable, but controlling high, high safety, achieve the design design requirements.Keywords: wheeled mobile robots kinematics model structure design Signature of supervisor:南昌航空大學科技學院學士學位論文外文譯文 1998年的IEEE 國際會議上機器人及自動化Leuven ,比利時1998年5月一種實用的辦法-帶拖車移動機器人的反饋控制F. Lamiraux and J.P. Laumond拉斯,法國國家科學研究中心 法國圖盧茲 florent ,jpllaas.fr摘 要本文提出了一種有效的方法來控制帶拖車移動機器人。軌跡跟蹤和路徑跟蹤這兩個問題已經得到解決。接下來的問題是解決迭代軌跡跟蹤。并且把擾動考慮到路徑跟蹤內。移動機器人Hilare的實驗結果說明了我們方法的有效性。1引言 過去的8年,人們對非完整系統(tǒng)的運動控制做了大量的工作。布洛基2提出了關于這種系統(tǒng)的一項具有挑戰(zhàn)性的任務,配置的穩(wěn)定性,證明它不能由一個簡單的連續(xù)狀態(tài)反饋。作為替代辦法隨時間變化的反饋10,4,11,13,14,15,18或間斷反饋3也隨之被提出。從 5 移動機器人的運動控制的一項調查可以看到。另一方面,非完整系統(tǒng)的軌跡跟蹤不符合布洛基的條件,從而使其這一個任務更為輕松。許多著作也已經給出了移動機器人的特殊情況的這一問題6,7,8,12,16。所有這些控制律都是工作在相同的假設下:系統(tǒng)的演變是完全已知和沒有擾動使得系統(tǒng)偏離其軌跡。很少有文章在處理移動機器人的控制時考慮到擾動的運動學方程。但是1提出了一種有關穩(wěn)定汽車的配置,有效的矢量控制擾動領域,并且建立在迭代軌跡跟蹤的基礎上。存在的障礙使得達到規(guī)定路徑的任務變得更加困難,因此在執(zhí)行任務的任何動作之前都需要有一個路徑規(guī)劃。 在本文中,我們在迭代軌跡跟蹤的基礎上提出了一個健全的方案,使得帶拖車的機器人按照規(guī)定路徑行走。該軌跡計算由規(guī)劃的議案所描述17 ,從而避免已經提交了輸入的障礙物。在下面,我們將不會給出任何有關規(guī)劃的發(fā)展,我們提及這個參考的細節(jié)。而且,我們認為,在某一特定軌跡的執(zhí)行屈服于擾動。我們選擇的這些擾動模型是非常簡單,非常一般。它存在一些共同點1。本文安排如下:第2節(jié)介紹我們的實驗系統(tǒng)Hilare及其拖車:兩個連接系統(tǒng)將被視為(圖1) 。第3節(jié)處理控制方案及分析的穩(wěn)定性和魯棒性。在第4節(jié),我們介紹本實驗結果 。 圖1帶拖車的Hilare2 系統(tǒng)描述Hilare是一個有兩個驅動輪的移動機器人。拖車是被掛在這個機器人上的,確定了兩個不同的系統(tǒng)取決于連接設備:在系統(tǒng)A的拖車拴在機器人的車輪軸中心線上方(圖1 ,頂端),而對系統(tǒng)B是栓在機器人的車輪軸中心線的后面(圖1 ,底部)。 A對B來說是一種特殊情況,其中 = 0 。這個系統(tǒng)不過單從控制的角度來看,需要更多的復雜的計算。出于這個原因,我們分開處理掛接系統(tǒng)。兩個馬達能夠控制機器人的線速度和角速度(,)。除了這些速度之外,還由傳感器測量,而機器人和拖車之間的角度,由光學編碼器給出。機器人的位置和方向(,)通過整合前的速度被計算。有了這些批注,控制系統(tǒng)B是: (1)3 全球控制方案3.1目的當考慮到現(xiàn)實的系統(tǒng),人們就必須要考慮到在運動的執(zhí)行時產生的擾動。 這可能有許多的來源,像有缺陷的電機,輪子的滑動,慣性的影響. 這些擾動可以被設計通過增加一個周期在控制系統(tǒng)(1) ,得到一個新的系統(tǒng)的形式 在上式中可以是確定性或隨機變量。 在第一種情況下,擾動僅僅是由于系統(tǒng)演化的不規(guī)則,而在第二種情況下,它來自于該系統(tǒng)一個隨機行為。我們將看到后來,這第二個模型是一個更適合我們的實驗系統(tǒng)。 為了引導機器人,從一開始就配置了目標,許多工程認為擾動最初只是機器人和目標之間的距離,但演變的系統(tǒng)是完全眾所周知的。為了解決這個問題,他們設計了一個可輸入的時間-狀態(tài)函數(shù),使目標達到一個漸近穩(wěn)定平衡的閉環(huán)系統(tǒng)?,F(xiàn)在,如果我們介紹了先前定義周期在這個閉環(huán)系統(tǒng),我們不知道將會發(fā)生什么。但是我們可以猜想,如果擾動很小、是確定的、在平衡點(如果仍然還有一個)將接近目標,如果擾動是一個隨機變數(shù),平衡點將成為一個平衡的子集。 但是,我們不知道這些新的平衡點或子集的位置。 此外,在處理障礙時,隨時間變化的方法不是很方便。他們只能使用在附近的目標,這附近要適當界定,以確保無碰撞軌跡的閉環(huán)系統(tǒng)。請注意連續(xù)狀態(tài)反饋不能適用于真實情況下的機器人,因為間斷的速度導致無限的加速度。 我們建議達成某一存在障礙特定配置的方法如下。我們首先在當前的配置和使用自由的碰撞議案所描述17目標之間建立一個自由的碰撞路徑,然后,我們以一個簡單的跟蹤控制率執(zhí)行軌跡。在運動結束后,因為這一目標的各種擾動機器人從來沒有完全達到和目標的軌跡一致,而是這一目標的左右。如果達到配置遠離目標,我們計算另一個我們之前已經執(zhí)行過的一個軌跡。 現(xiàn)在我們將描述我們的軌跡跟蹤控制率,然后給出我們的全球迭代方法的魯棒性問題。 3.2軌跡跟蹤控制率 在這一節(jié)中,我們只處理系統(tǒng)A。對系統(tǒng)B容易計算(見第3.4節(jié))。 圖2 單一機器人的跟蹤控制率 很多帶拖車輪式移動機器人的跟蹤控制律已經被提出。其中16雖然很簡單,但是提供了杰出的成果。 如果是模擬機器人的坐標構成真實機器人(圖2),如果()是輸入的參考軌跡,這種控制律表示如下: (2) 我們控制律的關鍵想法如下:當機器人前進,拖車不需要穩(wěn)定(見下文)。因此,我們對機器人使用公式(2)。 當它后退時,我們定義一個虛擬的機器人(圖3)這是對稱的真實一對拖車的車輪軸: 然后,當真正的機器人退后,虛擬機器人前進和虛擬系統(tǒng)在運動學上是等同于真正的一個。因此,我們對虛擬機器人實行跟蹤控制法(2)。 圖3 虛擬機器人現(xiàn)在的問題是:當機器人前進時,拖車是否真的穩(wěn)定?下一節(jié)將回答這個問題。 3.3 拖車穩(wěn)定性分析在這里我們考慮的向前運動情況下,虛擬機器人向后的運動被等值轉變。讓我們把坐標作為參考軌跡并且把坐標作為實際運動的系統(tǒng)。我們假設機器人完全跟隨其參考軌跡:并且我們把我們的注意力放在拖車偏差 。這一偏差的變化很容易從系統(tǒng)(1)推導出(系統(tǒng)A) : 盡管是減少的 (3)我們的系統(tǒng)而且被不等量限制了 (4)因此和式(3)等價于 (5) 圖4顯示的范圍隨著給定的的值正在減少。我們可以看到,這個范圍包含了拖車的所有的位置,包括式(4)所界定的范圍。此外,以前的計算許可輕松地表明對于變量,0是一個漸近穩(wěn)定值的變量。 因此,如果實際或虛擬的機器人按照它的參考軌跡前進,拖車是穩(wěn)定的,并且將趨于自己的參考軌跡。 圖4 的穩(wěn)定范圍 3.4虛擬機器人系統(tǒng)B 當拖車掛在機器人的后面,之前的結構甚至更簡單:我們可以用拖車取代虛擬的機器人。在這種實際情況下,機器人的速度和拖車一對一映射的連接。然后虛擬的機器人系統(tǒng)表示為如下:和以前的穩(wěn)定性分析可以被很好的使用通過考慮懸掛點的運動。 下面一節(jié)討論了我們迭代計劃的魯棒性。 3.5迭代計劃的魯棒性我們現(xiàn)在正在顯示上文所提到的迭代計劃的魯棒性。為此,我們需要有一個當機器人的運動時產生擾動的模型。 1擾動的模型系統(tǒng)是一個不規(guī)則,從而導致矢量場確定性的變化。在我們的實驗中,我們要看到由于隨機擾動導致的例如在一些懸掛系統(tǒng)中發(fā)揮作用。這些擾動對模型是非常困難的。出于這個原因, 我們只有兩個簡單的假說有: 其中s是沿曲線橫坐標設計路徑,和分別是真正的和參考的結構,是結構空間系統(tǒng)的距離并且,是正數(shù)。 第一個不等量意味著實際和參考結構之間的距離成正比的距離覆蓋計劃路徑。第二個不等量是確保軌跡跟蹤控制率,防止系統(tǒng)走得太遠遠離其參考軌跡。讓我們指出,這些假設是非?,F(xiàn)實的和適合大量的擾動模型。 我們現(xiàn)在需要知道在每個迭代路徑的長度。我們使用指導的方法計算這些路徑驗證拓撲短時間的可控性17。這個也就是說,如果我們的目標是充分接近起初的結構,軌跡的計算依然是起初的結構的附近。在9 我們給出的估算方面的距離:如果 和是兩種不夠緊密的結構,規(guī)劃路徑的長度驗證它們之間的關系這里是一個正數(shù)。 因此,如果 是配置依次獲得的,我們有以下不等式: 這些不等式確保distCS是上界序列的正數(shù)和趨近于足夠反復后的。 因此,我們沒有獲得漸近穩(wěn)定性配置的目標,但這一結果確保存在一個穩(wěn)定的范圍處理這個配置。 這一結果基本上是來自我們選擇非常傳統(tǒng)擾動的模型。讓我們重復這包括諸如擾動模型的時間不同的控制律無疑將使其失去其漸近穩(wěn)定。實驗結果如下節(jié)顯示,收斂域的控制計劃是非常小的。 4實驗結果現(xiàn)在,我們目前獲得的帶拖車機器人Hilare系統(tǒng)A和B的實驗結果。圖5和圖6顯示第一路徑計算的例子所規(guī)劃初始配置(黑色)和目標配置(灰色)之間的運動。在第二種情況下包括上一次計算結果。連接系統(tǒng)的長度如下:系統(tǒng)A中,厘米,系統(tǒng)B厘米,厘米。表1和表2提供的初始和最后配置位置以及目標和期望配置在第一次動作和第二次動作之間的不足,3個不同的實驗。在這兩種情況下,第一次試驗相當于圖表。意味著,在第一動作后精度十分充足,沒有更多可進行的動作。 評論和意見:表1和表2的報告結果顯示了兩個主要的見解。首先, 系統(tǒng)達成非常令人滿意的精密程度,其次迭代次數(shù)是非常小的(介于1和2之間)。事實上,精密程度取決于很多的速度和不同的動作。在這里,機器人的最大線速度是50厘米/秒 。5結論 我們已經提出了一種方法來控制機器人與拖車從初始結構到一個已知輸入問題的目標。這種方法是以迭代于開環(huán)和閉環(huán)控制相結合為前提的辦法。它對大范圍的擾動模型已經顯示出健全的一面。這個魯棒性主要來自拓撲性能指導方法介紹17 。即使該方法不完全趨于機器人的最終目標,但是在真正實驗期間達到的精度程度是非常令人滿意的。13 圖5:系統(tǒng)A:初始、目標配置跟蹤第一路徑 圖6:系統(tǒng)B:初始、目標配置跟蹤第一路徑和最終結果 表1:系統(tǒng)A:目標和期望配置在第一次動 表2:系統(tǒng)B:目標和期望配置在第一次動 作和第二次動作之間的差距 作和第二次動作之間的差距參考文獻1.M. K. Bennani et P. Rouchon. Robust stabilization of flat and chained systems. in European Control Conference,1995.2.R.W. Brockett. Asymptotic stability and feedback stabilization. in Differential Geometric Control Theory,R.W. Brockett, R.S. Millman et H.H. Sussmann Eds,1983.3.C. Canudas de Wit, O.J. Sordalen. Exponential stabilization of mobile robots with non holonomic constraints.IEEE Transactions on Automatic Control,Vol. 37, No. 11, 1992.4.J. M. Coron. Global asymptotic stabilization for controllable systems without drift. in Mathematics of Control, Signals and Systems, Vol 5, 1992.5.A. De Luca, G. Oriolo et C. Samson. Feedback control of a nonholonomic car-like robot, Robot motion planning and control. J.P. Laumond Ed., Lecture Notes in Control and Information Sciences, Springer Verlag, to appear.6.R. M. DeSantis. Path-tracking for a tractor-trailerlike robot. in International Journal of Robotics Research,Vol 13, No 6, 1994.7.A. Hemami, M. G. Mehrabi et R. M. H. Cheng. Syntheszs of an optimal control law path trackang an mobile robots. in Automatica, Vol 28, No 2, pp 383-387, 1992.8.Y. Kanayama, Y. Kimura, F. Miyazaki et T.Nogushi.A stable tracking control method for an autonomous mobile robot. in IEEE International Conference on Robotics and Automation, Cincinnati, Ohio, 1990.9.F. Lamiraux.Robots mobiles ci remorque : de la planification de chemins d: l e x h t i o n de mouuements,PhD Thesis N7, LAAS-CNRS, Toulouse, September 1997.l0.P. Morin et C. Samson. Application of backstepping techniques to the time-varying exponential stabitisation of chained form systems. European Journal of Control, Vol 3, No 1, 1997.11.J. B. Pomet. Explicit design of time-varying stabilizang control laws for a class of controllable systems without drift. in Systems and Control Letters, North12.M. Sampei, T. Tamura, T. Itoh et M. Nakamichi.Path tracking control of trailer-like mobile robot. in IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems IROS, Osaka, Japan, pp 193-198, 1991.13.C. Samson. Velocity and torque feedback control of a nonholonomic cart. International Workshop in Adaptative and Nonlinear Control: Issues in Robotics, Grenoble, France, 1990.14.C. Samson. Time-varying feedback stabilization of carlike wheeled mobile robots. in International Journal of Robotics Research, 12(1), 1993.15.C. Samson. Control of chained systems. Application to path following and time-varying poznt-stabilization. in IEEE Transactions on Automatic Control, Vo l 40,No 1, 1995.16.C. Samson et K. Ait-Abderrahim. Feedback control of a nonholonomic wheeled cart zncartesaan space.in IEEE International Conference on Robotics and Automation, Sacramento, California, pp 1136-1141,1991.17.S. Sekhavat, F. Lamiraux, J.P. Laumond, G. Bauzil and A. Ferrand. Motion planning and control for Hilare pulling a trader: experzmental issues. IEEE Int. Conf. on Rob. and Autom., pp 3306-3311, 1997.18.O.J. Splrdalen et 0. Egeland. Exponential stabzlzsation of nonholonomic chained systems. in IEEE Transactions on Automatic Control, Vol 40, No 1, 1995. Bolland, Vol 18, pp 147-158, 1992.
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