轮式移动系统多轮协调控制方案研究

【摘要】随着科技的不断进步,人类对难以到达未知环境的探测活动日益深入,对轮式移动系统多轮协调控制技术提出了更高的要求。但对于多轮移动系统,因采用独立驱动,驱动控制量存在冗余。在地形复杂、松散地面上移动会出现不协调现象,导致运动状态不准确,滑移率、下陷量、功耗变大,加快机械磨损,移动通过性变差。本文针对上述问题,以四轮菱形布置的轮式移动系统为研究对象,从多轮协调控制技术的研究背景、研究现状出发,对其运动学、动力学、驱动控制及驱动力分配进行分析和研究。主要从多轮协调控制的设计、轮地接触角的模拟仿真、月壤关键力学参数在线估计、多轮协调控制对比分析和滑模变结构控制等方面进行深入的研究和探讨。针对几种协调控制方案进行可行性论证,并进行协调控制算法设计及其软件实现；针对典型工况的不协调现象,从定性和定量的角度进行协调控制调试,并对其协调控制算法进行仿真计算验证；最后通过模拟地面环境各种复杂地形工况进行多轮协调控制试验考核,从而评价协调控制的效果,确定最终的协调控制方案。在多轮协调控制方案的实现中,针对四轮菱形布置的移动系统,采用开环运动学法、闭环动力学法、协调双分支(DB)法、广义逆(GI)法、滑模变结构法等,应用不同软件进行了联合仿真计算。首先采用多传感器数据融合技术将轮式移动系统的各个传感器的数据进行融合；接着通过模拟仿真技术对车轮与地面的接触角进行计算,并对土壤的关键力学参数进行在线评估；最后采用开环运动学法、闭环动力学法、协调双分支(DB)法、广义逆(GI)法、滑模变结构法等进对轮式移动系统进行了多轮协调控制研究,仿真结果表明：动力学闭环法优于开环运动学控制,基于协调双分支(DB)法优于广义逆(GI)法控制,滑模变结构法更优,它具有鲁棒性,抗干扰能力强,可以实现更优良的控制效果。同时,试验结果也验证了在松软土壤表面行驶的多轮协调动力学模型有效性和精确性。研究不仅对多轮独立驱动特种车具有重要的参考价值,而且对轮式机器人和智能车辆等相关高技术产业的发展同样具有重要意义。
【作者】吴继坚；
【导师】卿启湘；刘邦模；
【作者基本信息】湖南大学，机械工程，2013，硕士
【关键词】轮式移动系统；多轮协调；多传感器数据融合；滑模变结构控制；

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