高通过性轮足式移动平台设计与车身主动稳定控制研究.pdf

摘要

摘要

移动平台是移动机器人领域的核心研究内容之一，对移动机器人领域的

发展具有重要意义。相较于载重能力强但越障能力有限的传统轮式平台，越

障能力强但载重能力弱、稳定控制难的多足/腿式机器人，轮足式机器人取长

补短，通过复合式的轮足机构，在具备较高载重能力的同时，还具备高通过

性和高稳定性。为了深入研究轮足式移动平台，本文对轮足式移动平台进行

了结构设计，并构建轮足式移动平台数学模型，搭建轮足式移动平台控制系

统，进行车身自主规划和稳定控制的研究实验。

根据轮足式移动平台的运动和任务操作需求，对样机进行了模块化研制，

设计了自主规划和稳定控制系统的实现方法，构建新的轮足模块机械结构和

电机系统方案，以为之后的复杂场景下自适应具身智能技术，高动态响应车

身稳定控制技术打下基础。为了实验样机自主规划和稳定控制，对样机进行

了基于运动学的数学建模，建立了平台位姿到转向电机、变距电机、轮毂电

机的转角之间的映射关系，并将该数学模型用于样机的轨迹规划的稳定控制

前馈环节。

为了满足轮足式移动平台控制系统的调试实验需求，在Ubuntu操作系统

下构建了基于Gazebo的机器人物理仿真系统和基于ROS的机器人控制软件

系统，从而对轮足式移动平台分别在仿真和实物样机层面进行了实验验证。

其中，控制系统框架由四层构成，用户交互层提供用户交互界面，方便用户

下达指令；运动规划层接收用户指令，并基于样机数学模型和轨迹规划处理

成各电机转角；实时控制层结合运动规划层的输出，在设定控制周期内对电

机进行实时控制，同时发送指令以接收电机编码器、IMU等传感器的反馈数

据，作为运动规划层的输入量；硬件驱动层基于实时控制层的指令，将指令

结合各硬件通信方式写入硬件。样机硬件系统使用IntelNUC作为样机的主控

系统，使用IMU获取平台姿态信息，基于RS485和CAN通信控制电机位置

环或速度环，并接收电机编码器的反馈数据。基于该轮足式移动平台的结构

设计和硬件软件系统，进行了样机自主规划和车身稳定控制的仿真和实验验

证，表明了该机构和控制方法能够轮实现足式移动平台强载重能力、高通过

性、高稳定性的技术要求。

关键词：轮足机器人；感知规划；稳定控制；物理仿真；ROS控制

-I-

Abstract

ABSTRACT

Mobileplatformsareoneofthecoreresearchtopicsinthefieldofmobile

robotsandhavesignificantimplicationsforthedevelopmentofthefield.

Comparedtotraditionalwheeledplatformswithstrongload-bearingcapacitybut

limitedobstaclecrossingability,multilegged/leggedrobotswithstrongobstacle

crossingcapacitybutweakload-bearingcapacityanddifficultstabilitycontrol,

wheeledrobotslearnfromeachothersstrengthsandweaknesses.Througha

compositewheeledmechanism,theynotonlyhavehighload-bearingcapacity,but

alsohavehightrafficabilityandstability.Inordertoconductin-depthresearchon

wheeledmobileplatforms,thisarticlehasdesignedthestructureoftheplatform

andestablishedamathematicalmodeloftheplatform