太阳能风帆驱动的机器人动力学建模与控制

【摘要】：目前，机器人被广泛应用在军事、抢险救援、外太空探测等领域，但由于机器人的动力能源主要为电能和石化燃料等，因此，机器人的行驶范围和运行时间受到严重的限制。然而太阳能和风能在地球上和外太空中资源丰富，如果将两者结合起来为机器人提供动力将使机器人的使用范围变得更广。本文主要对太阳能风帆驱动的机器人的相关技术进行了深入研究。 首先，本文对太阳能电池的基本工作原理进行了说明，并对太阳能电池和风帆的种类及特点进行了总结，选择非晶硅柔性薄膜太阳能电池和层流型矩形翼帆进行结合；为了确定太阳能电池的功率，对太阳光辐射模型进行了分析，同时对太阳能电池向蓄电池充电的方式进行了研究。 其次，为了减小风帆的转动、光照和温度的变化等对太阳能电池输出功率的影响，最大限度地利用太阳能电池的发电量，本文设计了以传统的电导增量法为基础的模糊控制器完成对电池的最大功率点跟踪。与传统的扰动观察法和电导增量法相比该控制器寻找最大功率点的速度更快，跟踪精度更高，同时输出的电压和电流的波动更小。 最后，本文在分析风帆动力特性的基础上，采用牛顿-欧拉公式法建立了风帆驱动的三轮移动机器人的动力学模型，并着重分析了机器人的转向动力学模型，该模型与机器人的前进速度有关，而风帆驱动的机器人的速度又与风速、风向有关，所以该机器人系统是一个时变的复杂系统。在对风帆驱动的机器人进行控制时，将风帆的转动和机器人的航向分别进行独立控制，采用模糊控制器完成对风帆的控制，采用改进的自适应遗传算法完成对PID控制器参数的优化，实现对机器人的航向控制。