复杂地形环境下新型轮腿复合式移动机器人控制系统研究-机械制造及其自动化专业论文.docx

河北工业大学博士学位论文 河北工业大学博士学位论文 I I 复杂地形环境下新型轮腿复合式移动机器人控制系统研究 摘 要 随着我国油气田的开发以及石化企业的大发展，迫切需要研发针对油气田和石化企业 等大空间下的化学危险品的监测和应急救援系 统。本文在天津市科技计划项目 （10ZCKFSF01400）、河北省自然基金（E2010000049）和国家863计划（2012AA041508） 支持下，针对石化行业复杂地形环境，设计了一新型轮腿复合式移动机器人系统。从构型 设计和运动控制两方面保证机器人具有较好的地形适应能力，能快速、安全的到达目的地。 本文的创新性工作包括： 1、针对复杂环境，设计了一新型轮腿复合式移动机器人。对前后轮腿结构参数及其 越障过程姿态进行优化，降低了能耗，提高了地形适应能力。车体部分能根据机器人横滚 角进行侧倾调节，通过改变质心位置，提高机器人抗倾覆能力。重心可调的轮腿相结合的 构型设计保证了机器人的稳定性、快速性和地形通过性。 2、针对机器人驱动控制，由分层协调控制器根据滑转率正常与否决策进行轨迹跟踪 控制还是滑转率控制。轨迹跟踪控制方面，针对驱动动力学建模中存在较多不确定项的情 况，提出了一种积分终端滑模实现机器人轨迹跟踪控制，该方法融合积分滑模和终端滑模 的优点，提高了控制的精度和快速跟踪能力；同时，通过模糊规则调节切换增益大小，减 小滑模控制的抖振现象。滑转率控制方面，提出一种积分滑模实现机器人滑转率控制，该 控制通过积分项提高控制精度，而且滑模过程无趋近阶段，提高了系统的鲁棒性；同时， 切换增益采用自适应调节规律，减少了抖振现象。 3、针对机器人姿态控制，利用稳定边界法分析机器人的侧翻稳定性，根据稳定裕量， 判定机器人是否需要实施车体侧倾控制，车体倾角控制的参考值由RBF神经网络根据侧坡 坡度实时获得。提出了安全稳定裕量的概念，当稳定裕量大于设定的安全稳定裕量时，机 器人不需要进行姿态调整。 4、前后轮腿系统的摆角控制中，针对模型中的非线性及干扰较大的情况，提出了反 演积分终端滑模控制，在反演的最后一步引入积分终端滑模，提高了系统的快速性和控制 精度，并通过非线性干扰前馈补偿提高系统抗干扰能力。 关键词：轮腿复合移动机器人，复杂地形，轨迹跟踪，滑转率，姿态稳定 复杂地形环境下轮腿复合式移动机器人控制系统研究 STUDY ON THE CONTROL SYSTEM OF A NEW WHEEL-LEGGED MOBILE ROBOT IN THE ROUGH TERRAIN ABSTRACT The development of oil and gas field exploitation and the subsequent rapid development of petrolchemical enterprises make it an urgent need to develop monitoring and emergency response techniques in relation to hazardous chemicals in oil and gas fields and petrolchemical enterprises. This project is under the support of the Project of the Assisted Rescue System (10ZCKFSF01400) , the Nature Fund of Hebei Province (E2010000049) and The Natiaonl 863 Projects(2012AA041508). Considing the environment is rough, the author devised a new whelel-legged mobile robot, which can just adapts to the complicated terrain environments and can reach the destination rapidly and safely under the supports of the Mechanical configurationand the motion contorl system. The creative tasks accomplished under this study include: According to the demand of rough terrain, a new wheel-legged mobile robot was designed. By optimizing the w