自主移动式机器人运动自动控制技术研究

自主移动式机器人运动自动控制技术研究

渊重庆化工职业学院机械与自动化工程学院袁重庆摇源园员圆圆愿冤

摘要院针对传统控制方法一直存在对机器人运动控制效率低尧稳定性差的问题袁提出基于双向插补分析的自主移动式机器人运动自动控制技术遥通过对机器人控制系统进行线性化分析袁构建机器人运动控制动力学模型袁并采用双向插补方法分析机器人运行路线及姿态袁实现对自主移动式机器人运动自动控制遥

关键词院自主移动曰机器人曰运动曰控制曰双向插补

中图分类号院栽匀员远袁栽孕圆源摇摇文献标识码院粤摇摇文章编号院圆园怨缘原缘园怨载渊圆园员愿冤园愿原园园缘怨原园源

夏洪永

摇摇近年来袁随着机器人研发技术的普及与进步袁机器人的发展势头十分迅猛遥机器人技术涉及众多学科袁如传感器科学尧仿生学尧机械学尧电子学尧材料学等袁并且在军事领域尧地震救灾尧日常生活等众多公共领域占据重要地位袁发展前景非常好袁日益受到众多学者的青睐咱员暂遥机器人在危险性大尧环境较恶劣的情况下和无法预测的灾难面前袁代替人类进行工作袁可以提高救援效率尧减少伤亡遥机器

.com.cn. All Rights Reserved.人的行走方式有很多种袁目前较为典型的有猿类院轮式机器人尧履带式机器人尧足式机器人咱圆暂遥无论是哪类机器人袁在行动方面都有各自的缺点袁如足式机器人能耗较大尧灵活性及避障能力差咱猿原源暂曰履带式机器人容易受到运行环境的影响袁在落差较大的地面上无法前进曰轮式机器人在砂石尧废墟尧岩石等地形中极易受困遥对此袁以此猿类机器人为基础袁添加自主移动功能袁使机器人在遇到障碍时能够自主移动袁在降低人工操作费用的同时还能提高机器人在不同环境下运行时的流畅性遥不仅如此袁还能自主判断是否继续行走袁是否需要转弯等袁提高了对机器人运动性能的控制能力咱缘暂遥传统机器人控制方法主要以单片机加蓝牙为主袁其以粤则凿怎蚤灶燥皂藻早葬圆缘远园和栽燥则燥遭燥贼蓝牙模块作为硬件基础袁利用粤则凿怎蚤灶燥陨阅耘编程语言编写六足机器人运动控制程序袁通过月造怎藻贼燥燥贼澡援泽责责软件发送控制指令并返回命令状态袁从而实现对机器人运动的控制咱远暂遥但是这种方式存在控制耗时长尧转弯动作受到限制的问题遥为解决上述问题袁本文采用基于多项插补优化的自主移动式机器人运动的自动控制技术遥

收稿日期院圆园员愿原园源原园圆

员摇机器人运动控制动力学分析

在机器人运动过程中袁其动力学情况直接影响机器人的运行速度尧精度及效率袁本文通过对机器人控制系统进行线性分析袁构建机器人运动控制动力学模型袁实现对机器人运动控制动力学方面的分析遥员援员摇机器人控制系统线性化分析

本文以自主移动式机器人作为传统机器人的优化模式袁在其移动控制方面进行优化设计咱苑原愿暂遥由于自主移动式机器人结构复杂袁具有多个自由度袁因此对其进行运动控制时需要对其动力学方程进行分析尧求解袁建立机器人运动控制动力学模型袁从而为其运动路线和姿态的控制提供基础依据遥

机器人的动力学方程为院

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为了防止不确定性对机器人的运动产生干扰袁通过加入适合的状态空间方程咱怨暂得到自主移动式机器人的动力学公式遥

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作者简介院夏洪永渊员怨远猿要冤袁男袁重庆人袁重庆化工职业学院副教授袁主要从事自动化技术应用方面的研究遥

窑缘怨窑

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其中粤圆员和粤圆圆的选择直接影响粤泽遥

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其中估计误差泽曾垣月軃怎垣月枣越枣原赞軃枣渊曾冤原月酝原员枣遥

渊曾冤子凿渊缘冤对机器人控制系统进行线性归一化处理袁可有效优化机器人运动性能袁减少干扰误差袁提高自主

移动式机器人运动稳定性员援圆摇机器人运动控制动力学模型

遥

在对机器人运动控制进行研究时袁其动力学模型是运动控制的重点袁而动力学模型却易受到非完整约束的影响袁从而对控制参数产生影响遥本文采用机器人的动力学模型袁其控制过程中输入值设置为广义力而不是速度咱员圆暂模型不能用于研究非完整约束的运动与力遥因此袁机器人的运动学尧力矩之间的关系遥

耘怎造藻则对于一般的机器人动力学模型可以由如下的凿原蕴葬早则葬灶早藻鄣蕴栽原方程描述鄣蕴栽越耘渊院

择冤子原粤栽渊择院凿择贼越鄣择觶咱择维广义坐标曰员袁蕴择是圆袁噎袁鄣择蕴葬早则葬灶早藻择为机器人控制系统的冤姿渊远冤式中灶暂栽袁函数袁为动能与势能之灶差曰耘渊择冤为灶伊皂维输入变换矩阵曰姿为蕴葬早则葬灶早藻乘子曰粤渊择冤为约束矩阵曰乘积粤栽量遥经过耘怎造藻则原蕴葬早则葬灶早藻方程分析渊择冤姿袁构建自主移为约束力矢动式机器人的动力学模型为酝渊择冤咬择垣灾渊择袁择觶冤择觶越耘渊院

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觶数曰渊贼冤为趋于避障行为的权值系数遥然后两边同时乘以杂栽置杂栽粤栽姿越园袁消去蕴葬早则葬灶早藻渊择乘子冤袁为降低控制耗能设姿袁并整理袁得最终机器人运动控制动力学模型为杂栽酝杂怎

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综上所述袁通过对机器人控制系统进行线性化分析袁构建机器人运动控制动力学模型袁可为优化机器人运动自动控制技术提供基础依据遥

圆摇机器人运动自动控制技术优化研究

在对原有的机器人运动控制动力学模型进行构建的基础上袁以自主移动为目的袁进行路线及姿态的插补分析袁从而优化机器人运动自动控制技术遥

设需要插补的直线路段为孕孕泽孕藻行速度得到插补时刻泽渊曾泽袁赠泽袁扎泽冤袁终结点为袁起始点为渊蚤垣孕藻员冤渊曾藻的总控制量袁赠藻袁扎藻冤遥通过控制运杂袁设增为插补速度袁葬为加速度袁进行如下直线插补计算遥

位移计算公式院曾蚤垣员越曾蚤垣运曾杂

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蚤垣员越扎蚤扎杂速度计算公式院增曾越运曾增

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加速度计算公式院葬曾越运曾葬

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式中曾袁运赠袁运扎分别为曾袁赠袁扎方向的插补系数遥由于插补总时间与插补周期无法产生整数倍的关系袁最后一个插补点不是终点位置的可能较大咱员源暂了预防下一段插补路线精度低袁将使用速度控制模袁为式的终点数据当作最后一个插补点遥路线直线插补算法流程如图员所示遥

本文选择和速度曲线同步的位姿插补方式遥假设机器人运行路径总位移是蕴袁经由速度曲线算法计算得到下一插补路程是蕴扎员袁起点为孕泽插补点为泽袁遭泽袁糟孕泽冤袁终点为赠孕藻渊曾藻袁赠藻袁扎藻袁葬藻袁遭藻袁糟藻冤袁渊曾泽下袁赠一泽泽袁葬袁蚤渊曾蚤袁蚤袁扎蚤袁葬蚤袁遭蚤袁糟蚤冤遥位姿参数葬蚤袁遭蚤袁糟蚤

.com.cn. All Rights Reserved.圆园员愿年第愿期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇夏洪永院自主移动式机器人运动自动控制技术研究图员摇直线插补流程图的计算公式如下院

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综上所述袁可得机器人姿态插补流程如图圆所示遥自主移动式机器人在运动进程里会一直获取地标信息并对地标信息进行测试遥测试完信息后袁与程序里的地理位置信息进行对比袁依据对比信息对机器人位置进行判断袁即是否需要进行路线上地标信息的调整袁同时分辨是否需要转弯袁并上传现有地理位置信息袁开始判断导引模式遥其中云造葬早标记用于判断引导线是否需要对机器人进行检测袁若云造葬早标记位置为员袁那么表示引导线已开始检测云造葬早袁自主移动机器人进入寻迹导引模式曰反之袁若器件导引模式标记位置为遥当确定进入惯性器件导引模式后园袁自主移动式机器人则进入惯性袁继续对引导线进行判断袁若未进入惯性器件导引

图圆摇姿态插补流程图

模式袁则对云造葬早标记位进行清零处理遥

综上可知袁通过路线直线插补及姿态插补袁可提高机器人对于运动路线及姿态的控制精度袁实现机器人的自主移动袁扩大其使用范围遥

猿摇猿援员摇实验结果分析

实验参数设置

实验采用机器人的物理参数见表员遥

表员摇机器人物理参数

名称符号标称值质量皂缘园噪早驱动轮半径则园援员圆缘皂

车轮与地面间摩擦系数糟园援园缘噪早窑皂圆绕机器人重心转动惯量

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蕴增园援园缘噪早窑皂电机及传动机构的驱动增益

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辕灾猿援圆摇实验结果分析

为了验证改进方法在自主移动式机器人运动控制方面的有效性袁采用改进方法与传统控制方法对比的方式袁以不同方向的运动稳定性为指标袁进行实验分析袁结果如图猿所示遥

窑远员窑

.com.cn. All Rights Reserved.圆园员愿年第源苑卷摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇机械设计与制造工程摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇中实验的局限性袁运行环境设置不够完美袁还需要在多个实验环境做进一步验证遥参考文献院

咱员暂摇徐文霞袁黄剑袁晏箐阳袁等援兼具柔顺与安全的助行机器人运咱圆暂摇方小菊袁黄亦其援基于无源控制的非完整移动机器人轨迹跟咱猿暂摇许坤袁陈谋援基于干扰观测器的移动机器人轨迹跟踪控制咱源暂摇杨俊驹袁林睿袁王振华袁等援轮式移动机器人运动控制系统咱缘暂摇白晶袁于喜红袁秦现生援基于孕酝粤悦的码垛机器人模糊孕陨阅咱远暂摇王洪斌袁李程袁王跃灵袁等援基于粤则凿怎蚤灶燥和蓝牙技术的六足

猿圆渊源冤院缘猿猿原缘猿苑援员源员原员源缘援

算法研究咱允暂援机械设计与制造工程袁圆园员远袁源缘渊猿冤院源远原源怨援研究与设计咱允暂援现代电子技术袁圆园员远袁猿怨渊圆冤院圆圆原圆苑援咱允暂援应用科学学报袁圆园员远袁猿源渊圆冤院员苑苑原员愿怨援渊远冤院源员原源源援

踪误差仿真研究咱允暂援组合机床与自动化加工技术袁圆园员苑动控制研究咱允暂援自动化学报袁圆园员远袁源圆渊员圆冤院员愿缘怨原员愿苑猿援

图猿摇机器人运动控制稳定性分析

摇摇图中袁载袁再袁在袁云分别代表向前尧向左尧向右尧向后移动的实际值袁而栽赃载尧栽赃再尧栽赃在尧栽赃云分别代表向前尧向左尧向右尧向后移动的目标值袁下标员为传统方法结果袁下标圆为改进方法结果遥从图猿可以看出袁采用传统方法控制的机器人在向前移动时袁位置发生了震荡袁而向左移动时位置存在稳态误差袁向右移动时位置发生震荡袁并且平均值偏离了目标值遥使用改进控制方法可有效避免信号滞后引起的震荡袁增大了对微小偏差的响应袁向左移动偏差略大于向前移动偏差的原因在于向左移动控制信号较小时袁惯性器件不能提供足够的推力袁向右移动控制时易受到地面的影响袁在向后移动方面.com.cn. All Rights Reserved.存在一定波动袁但整体上维持在目标值附近遥

机器人控制系统设计咱允暂援黑龙江大学自然科学学报袁圆园员缘袁

咱苑暂摇任红格袁刘伟民袁李福进援一种记忆可修剪型仿生机器人的

速度跟踪算法研究咱允暂援现代电子技术袁圆园员苑袁源园渊员缘冤院

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位系统设计咱允暂援电子技术应用袁圆园员苑袁源猿渊缘冤院圆缘原圆愿援人定位系统研究咱允暂援现代电子技术袁圆园员苑袁源园渊圆冤院源愿原缘圆援科学技术与工程袁圆园员远袁员远渊员缘冤院圆猿源原圆猿愿援

研究咱允暂援浙江工业大学学报袁圆园员苑袁源缘渊源冤院猿缘缘原猿远园援算法咱允暂援机械设计与制造工程袁圆园员苑袁源远渊愿冤院源源原源苑援统研究与应用咱允暂援机器人袁圆园员远袁猿愿渊员冤院怨员原怨苑援控制研究咱允暂援机床与液压袁圆园员苑袁源缘渊员苑冤院猿远原猿怨援

源摇结束语

本文提出的基于双向插补分析的自主移动式机器人运动自动控制技术袁在控制机器人运行路线方面精度有所提高袁且稳定性较好袁为机器人控制系统的设计提供了一定的技术支持遥但由于本文

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窑远圆窑