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基于仿人智能控制的两轮轮式机器人运动控制研究

作　者: 赵中原
导　师: 王牛
学　校: 重庆大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 两轮轮式机器人非完整约束仿人智能控制双闭环控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

移动机器人是一个集环境感知，动态决策与规划，运动控制与执行等多种功能为一体的综合系统。移动机器人不断完善的性能及服务型移动机器人有着广阔的市场应用前景。两轮轮式机器人运动控制问题主要包括机器人的点镇定控制、路径规划和轨迹跟踪。点镇定控制是解决机器人基本运动的问题，是解决轨迹规划和轨迹跟踪的基础。两轮差动轮式机器人系统是具有非完整约束的运动系统，其驱动执行系统又由两个具有内部饱和非线性环节的双闭环电机及其驱动系统组成，因此两轮差动轮式机器人点镇定控制问题是一种多输入多输出的非线性系统控制问题，一直是国内外研究人员的研究热点。作为典型的非完整约束系统，由于不满足Brockett光滑连续镇定的必要条件，即不存在连续时不变状态反馈控制律以实现两轮轮式机器人的点镇定控制，而两个电机系统存在的饱和非线性也极大地增加了系统控制的难度。针对上述两轮轮式机器人的点镇定问题本文主要完成以下工作：①提出了基于仿人智能动态参数可调直流电机双闭环驱动控制方法，并设计实现了新型直流电机双闭环驱动器，有效完成了对电机系统驱动电流上限的实时有效控制。驱动器系统采用双闭环控制器结构，转速环控制器以仿人智能控制理论为基础设计的仿人智能控制器，能够根据转速调节偏差选择不同模态进行控制。利用霍尔电流传感器获取电机电枢电流作为反馈信息构成电流环控制器，通过改变反馈系数来调节电机电机驱动系统的电流上限值。实现电机的动态参数可调。②提出了一种具有三层结构的仿人智能两轮差动轮式机器人点镇定控制器，该控制器在上层采用基于角度和距离偏差特征的多模态仿人智能控制器，解决机器人运动学非完整约束问题；中层采用多模态限流控制器实现电机系统的有效配合，克服由于饱和非线性导致的失控；底层采用了基于动态参数可调驱动系统，实现机器人驱动。通过实验证实驱动器实现对电机加速参数的动态可调，同实现了机器人点镇定控制。证明了本文三层结构的仿人智能两轮差动轮式机器人点镇定控制方法的有效性以及仿人智能动态参数可调直流电机双闭环驱动器的实用性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-17
  1.1 引言  9
  1.2 机器人概述  9-10
  1.3 国内外移动机器人发展状况  10-12
    1.3.1 国外移动机器人发展状况  10-11
    1.3.2 国内移动机器人发展状况  11-12
  1.4 国内外点镇定研究分析  12-15
  1.5 本文研究内容  15-17
    1.5.1 本文研究目的  15
    1.5.2 研究意义  15
    1.5.3 本文的主要研究内容  15-16
    1.5.4 文章结构  16-17
2 仿人智能控制两轮轮式机器人点镇定控制方法介绍与机器人平台搭建  17-35
  2.1 引言  17
  2.2 基于仿人智能控制两轮轮式机器人点镇定控制方法  17-19
    2.2.1 仿人智能控制理论基本概念  17-18
    2.2.2 仿人智能控制基本思想和原则  18-19
    2.2.3 新型控制方法基本思路  19
  2.3 机器人的运动学方程分析  19-21
  2.4 里程计系统  21-22
    2.4.1 里程计原理  21
    2.4.2 坐标系  21
    2.4.3 里程计感知特点  21-22
  2.5 机器人系统的介绍  22-33
    2.5.1 核心控制器介绍  23-24
    2.5.2 底层控制器的设计  24
    2.5.3 时钟电路  24-25
    2.5.4 电源管理电路  25-26
    2.5.5 JTAG 电路接口  26-27
    2.5.6 串口通信模块  27-28
    2.5.7 PWM 驱动单元设计  28-31
    2.5.8 控制信号逻辑电路  31-32
    2.5.9 ADC 采样电路设计  32-33
  2.6 本章小结  33-35
3 基于仿人智能控制理论的电机双闭环控制实现  35-49
  3.1 引言  35
  3.2 直流电机模型分析  35-37
  3.3 双闭环调速模型  37-38
  3.4 双闭环控制硬件平台构建  38-40
  3.5 软件介绍  40-41
    3.5.1 通信协议设计  40-41
    3.5.2 任务设计  41
  3.6 典型直流双闭环电机调速系统分析  41-43
  3.7 基于 HSIC 的 DLDMCS 双闭环调速系统  43-47
    3.7.1 基于 HSIC 的 DLDMCS 双闭环控制系统（HSIC-DLDMCS）  43-44
    3.7.2 HSIC 转速控制器及其输出限幅  44
    3.7.3 电流控制器及电流反馈系数调节器  44-45
    3.7.4 实验数据  45-47
  3.8 本章小结  47-49
4 三层结构的仿人智能两轮差动轮式机器人点镇定控制器设计与实验  49-75
  4.1 引言  49
  4.2 多模态仿人智能控制器（MP-HSIC)设计  49-52
  4.3 三层控制结构仿人智能控制器的设计  52-53
  4.4 机器人点镇定不同控制方法的对比  53-73
    4.4.1 两种控制器控制效果的比较  53-55
    4.4.2 MP-HSIC 控制  55-59
    4.4.3 三层控制结构的新型控制器控制  59-64
    4.4.4 无电流上下限限制 MP-HSIC 控制  64-68
    4.4.5 左右轮不同电流上下限限制的 MP-HSIC 控制  68-73
  4.5 本章小结  73-75
5 总结与展望  75-77
致谢  77-79
参考文献  79-83
附录  83
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  83

基于仿人智能控制的两轮轮式机器人运动控制研究

内容摘要

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