轮式移动机器人系统实现与编队控制

【摘要】：多机器人系统相对单机器人具有系统性能稳定、自组织性好等优势,可以完成单机器人无法完成的复杂任务,并且提高工作的效率。为了增强编队系统执行任务的能力,增强编队系统的鲁棒性,多机器人内部各个机器人之间的结构常常是不一样的。在多机器人中,编队是最基本的问题之一,为了研究多机器人的混合结构编队控制问题,研发了一台车式移动机器人,并与购置的两台差动移动机器人组成编队系统。为了提高车式移动机器人的机动性,选用高性能车架,配置了由编码器、超声波传感器、GPS、IMU(惯性测量单元)、激光雷达、摄像头等构成的传感器系统。设计并实现了以微控制器为核心的底层感知系统、运动控制系统和以车载计算机为核心的上层算法决策系统。在Ubuntu操作系统和ROS(机器人操作系统)软件框架下,实现了移动机器人内部以及移动机器人之间的相互通信,实现了基于GPS和IMU的定位导航系统,设计开发了基于游戏手柄的移动机器人远程操作功能。分析了差动和车式两种移动机器人的运动学模型,建立了以领航跟随者为结构的编队系统运动学模型。使用输入输出反馈线性化方法设计了三角形编队控制器,并将该控制器应用到混合编队系统中实现三角形编队。通过软件仿真和硬件实验验证了该控制器的有效性和可靠性。本课题所设计实现的车式移动机器人可用于工业巡检、移动装配、智能汽车等领域,所实现的硬件实验平台可用于多机器人其它问题的研究。