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非完整移动机器人运动规划研究

郭丙华  
【摘要】:移动机器人是一个典型具有非完整约束的非完整控制系统,非完整移动机器人的运动规划研究有助于解决例如应用非常广泛的工业机器人的高精度装配以及完成各种细微的操作、外星球表面机器人探索运动等问题。因此其研究在工业、社会服务、国防等领域具有非常重要的意义。 论文完成的主要工作包括以下几个方面 1.由于移动机器人通过适当的变换可以将其运动学模型转化为链式形式,且其链式形式可以方便地采用分段常值和多项式输入来实现其运动规划,因而针对存在障碍约束时在满足一定的性能指标前提下可以找到一种新的最优控制律来避开障碍物而完成其运动规划,虽然开环控制的精度受到限制,但其控制简单、方便而有效。 2.针对非完整移动机器人在运动学和动力学约束条件下提出了一种运动规划方法。该方法针对移动机器人工作在己知的环境,先由规划器规划出一条最短路径,再修正并采用立方螺线对其光滑化,从而使得移动机器人易于跟踪所规划的路经,同时考虑了移动机器人的实际速度限制,以防止移动机器人超负荷或打滑。 3.研究了非完整轮式移动机器人在未知或已知环境中的运动规划问题。首先通过输入输出线性化方法,设计了一个包含人工势函数的梯度反馈控制器,使得移动机器人产生绕过障碍物的无碰撞路经,然后再驱动机器人跟踪此路经。由于人工势函数是通过传感器实时反馈的信息构造而成的,其结果使得移动机器人能够工作于已知或未知的工作环境。 4.非完整移动机器人在未知室内环境中工作必须配备视觉系统,我们采用了一套简单的超声波系统,通过利用超声波传感器对周围环境的探测和实时处理传感器数据,以及所设计的目标寻找函数,可以有效地完成其运动规划,其能够确保移动机器人在无障碍物区或障碍物对机器人不构成危险时加速前进,在障碍物区慢速绕过,从而使得移动机器人快速且安全地到达目标位置。 5.利用移动机器人上配备的传感器信息的组合提出了一种在线子目标点寻找方案,通过周围环境中的障碍物来对移动机器人的位置进行校正,以降低运动的不确定性,从而得到一种鲁棒的规划算法。 6.由于移动平台和机械手组合的移动机械臂系统需要考虑到两者的协调控制,因而其控制更复杂,为此采用了拉格朗日动力学方法和非完整动力学罗兹方程建立了三连杆移动机器臂运动学和动力学模型,同时利用该模型采用了人工势


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