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爬壁机器人的电机控制与路径规划

作　者: 柳军
导　师: 肖军
学　校: 东北大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: 爬壁机器人模糊控制电机控制路径规划蚁群算法
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

爬壁机器人在很多领域已经从实验室研究走向了实际的工程应用。因其在垂直陡壁或高空极限空间作业的特点,已被广泛地研究并应用于清洗、检测,核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船等领域等多个行业,其目的是代替人类,在危险状态下作业。甚至在国家的安全保障工作中,爬壁机器人也可显著提高任务执行的成功率。本文研究的爬壁机器人采用的是负压吸附式的原理,通过吸盘足牢靠的吸附在垂直的墙面上。机械关节的设计上采用欠驱动结构,这种设计减少了爬壁机器人的能耗,但同时增加了爬壁机器人控制的复杂性。论文首先研究了爬壁机器人的电机控制,在梯形规划的基础上,采用模糊控制方法来控制电机的转速以提高机器人的爬行速度。然后讨论了基于有限状态机的爬壁机器人的步态规划。最后讨论了爬壁机器人的路径规划问题。在障碍物位置固定的环境中,通过蚁群算法来搜寻爬壁机器人的最优路径。对于在平面上运行的情况,在使用基本蚁群算法的基础上,采用死锁缓解法、双层信息素更新和两次随机性保证来提高蚁群算法的收敛速度和寻优能力；对于在垂直壁面运行的情况,提出了一种基于最小重力势能消耗的方法,并与蚁群算法进行融合进行路径规划。基于MATLAB的仿真实验结果表明,在两种情况下的路径规划很好的达到理论的预期效果。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-15
  1.1 爬壁机器人研究背景与意义  9-10
  1.2 爬壁机器人的研究现状  10-11
  1.3 爬壁机器人路径规划概述  11-13
  1.4 论文的主要工作  13-15
第2章爬壁机器人的电机控制  15-29
  2.1 爬壁器人系统平台  15-17
  2.2 爬壁机器人的运动机理  17
  2.3 爬壁机器人的运动步态控制  17-22
  2.4 基于模糊控制的爬壁机器人的电机控制  22-28
    2.4.1 模糊控制器的设计  23-26
    2.4.2 直流电机的运动速度的规划  26
    2.4.3 直流电机模糊控制的实验结果  26-28
  2.5 本章小结  28-29
第3章爬壁机器人路径规划环境模型建立  29-43
  3.1 机器人环境建模方法  29-31
  3.2 路径环境建模中的图论思想  31-32
    3.2.1 图的基本概念  31
    3.2.2 图的矩阵表示  31-32
  3.3 爬壁机器人路径规划的建模思想  32-40
    3.3.1 爬壁机器人运行环境的数学模型表示  32-36
    3.3.2 路径栅格环境与图的逻辑对应  36-39
    3.3.3 垂直墙壁表面的环境建模  39-40
  3.4 路径规划问题的描述和定义  40-41
  3.5 本章小结  41-43
第4章蚁群算法在爬壁机器人路径规划的应用  43-63
  4.1 蚁群算法的基本原理  43-50
    4.1.1 蚁群算法简介  43-45
    4.1.2 基本蚁群算法的模型  45-48
    4.1.3 基本蚁群算法的性能评价指标  48-49
    4.1.4 蚁群算法特点  49-50
  4.2 平面环境里的基于蚁群算法的爬壁机器人路径规划  50-55
    4.2.1 基于基本蚁群算法的爬壁机器人路径规划  51-53
    4.2.2 基于改进的蚁群算法在爬壁机器人路径规划中的实现  53-55
  4.3 垂直墙壁表面上基于最小重力势能消耗路径规划的工作原理  55-59
  4.4 垂直墙壁上的基于最小重力势能消耗与蚁群算法融合的爬壁机器人路径规划  59-60
  4.5 爬壁机器人路径规划中可行路径的平滑处理  60-61
  4.6 本章小结  61-63
第5章爬壁机器人路径规划实验仿真  63-71
  5.1 仿真环境  63
  5.2 参数的选取  63-64
  5.3 仿真结果与分析  64-69
  5.4 本章小结  69-71
第6章结论与展望  71-73
参考文献  73-77
致谢  77

爬壁机器人的电机控制与路径规划

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