自主轮式移动机器人信号检测与智能控制

【摘要】：本文以研究所自主开发的轮式移动机器人为研究对象，利用计算机技术、经典控制理论及现代控制理论方法、传感器检测技术和信号处理技术，对移动机器人在设计、开发和应用中存在的一些重点和难点问题进行了较为深入的分析和研究，涉及的主要方面有：动力学分析、信号检测及信号处理、计算机导航控制、智能化安全保障以及智能化的负载动力学补偿。 移动机器人的机械结构部分是控制系统的被控制对象，其动力学特性对整个控制系统的控制性能具有很大的影响，论文从机电一体化设计的思想出发，在规划和设计计算机控制系统之前，对移动机器人的机械结构进行了运动学和动力学的分析，重点对诱导运动产生的冗余驱动功率进行了分析和实验验证；同时，对移动机器人的机械手和移动平台之间的动力学偶合关系进行了阐述，并探讨了关于移动机器人整体动力学优化的问题。 从提高移动机器人的实用性的角度出发，建立并设计和试验研究了移动机器人导航所需要的位置和方向测量装置，由编码器、陀螺仪、和数字罗盘组成，并针对其中存在的各种干扰信号采取了数字递归滤波处理。以确保测量真实值的有效提取；同时对位置和方位角测量中多传感器的冗余信息，采用Kalman滤波的算法加以融合，较之单传感器测量，其融合后的数据具有更精确的测量精度和更高的可靠性。 为了进一步提高移动机器人工作的安全性和可靠性，提出并设计和制作了一种新型的防撞传感器，其敏感元件采用压电材料PVDF，较之于以往的机械式防撞传感器，该传感器具有结构简单、安装方便、反应灵敏和成本低的特点，它可以感知出撞击的具体位置，并与超声波传感器一起组成了避障和防撞测量系统，该系统具有探测范围大，反应灵敏、结构简单和工作可靠的优点。 文中还采用了负载补偿的方式对由纵向不对称负载引起的转向角偏差进行了补偿和修正，其中，通过测量纵向倾角来间接测量车体质量中心的方法，是以一种简单、经济且方便的手段解决了负载测量这一较为棘手的问题。 本文的研究是在多部移动机器人的开发背景下完成的，对于文中提出的一些新的思路和新的