Разработка алгоритмов управления движением автономных мобильных роботов

• Автор: Лисицкий, Денис Леонтьевич
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Саратов
• Количество страниц: 157 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1 ХАРАКТЕРИСТИКА СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ

СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕИЕМ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

1.1 Краткое описание конструктивных схем и математических

модели мобильных роботов

1.2 Характеристика датчиков систем управления мобильных

роботов.

1.3 Анализ современных подходов создания систем управления

мобильных роботов.

1.4 Постановка задачи исследования.

Выводы по разделу 1.
2 ВЫБОР СТРАТЕГИИ, СТРУКТУРЫ И СИНТЕЗ ОСНОВНЫХ
АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ.
2.1 Выбор стратегии управления.
2.2 Формирование опорной траектории
2.3 Выбор структуры системы управления.
2.4 Предварительная обработка информации о препятствиях
местности.
2.5 Синтез алгоритма формирования программной траектории
Выводы по разделу.2.
3 АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТА С
УЧЕТОМ ОГРАНИЧЕНИЙ, НАЛОЖЕННЫХ НА УПРАВЛЕНИЕ
3.1 Особенности конструкции и структуры системы управления
мобильного робота.
3.2 Гармоническая линеаризация нелинейной части системы
3.3 Анализ и синтез систем управления движущихся объектов с
учетом ограничений, наложенных на управления.
Синтеза регуляторов САУ мобильного робота с учетом
ограничений, наложенных на управления
Выводы по разделу 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО РОБОТА МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Математическая модель взаимодействия местности и лазерных
дальномеров
Математическая модель робота, привода, регуляторов.
Структура программы эмуляции движения мобильного робота .
Результаты моделирования.
Выводы по разделу 4
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Литература


Однако такие «цирковые номера» могут выполняться только под управлением оператора. Теория одноколесных и двухколесных роботов достаточно подробно изложена в работах [9, , , , , ]. Эти роботы не обладают статической устойчивостью, поэтому основной задачей разработчика является создание систем управления, позволяющих поддерживать корпус робота в положении близком к вертикальному. Для движения по пересеченной местности одноколесные и двухколесные роботы не пригодны. В настоящее время трехколесная схема наиболее популярна среди создателей колесных роботов []. Конструктивно трехколесный робот состоит из рамы, двух соосных задних колес, каждый из которых приводится во вращение отдельным электродвигателем постоянного тока с редуктором, переднего колеса, подвеска которого свободно вращается вокруг вертикальной оси []. Математические модели трехколесных роботов наиболее подробно изложены в работах [8, , , , , , , , , ]. При составлении этих уравнений робот рассматривается как механическая система, состоящая из трех тел: задних колес и корпуса с батареями и электродвигателями. Влиянием на динамику робота переднего колеса обычно пренебрегают, но в работе [] оно учитывается. Для вывода математической модели робота используются общие теоремы динамики и аппарат неголономной механики. Математическая модель трехколесного робота, описанная в работе [8], отличается только учетом сил трения и моментов трения качения: Адекватность этой модели ) подтверждена экспериментально. Роботы, выполняемые по трехколесной схеме, удобны для отработки алгоритмов управления в лабораторных условиях, так как они имеют простую конструкцию, их математические модели хорошо изучены и точно идентифицируются. Поэтому созданию алгоритмов работы систем управления подобными роботами посвящено множество работ [9, , , , , ]. Однако для движения по пересеченной местности они непригодны, так как маленькое переднее колесо, закрепленное по рояльной схеме, застревает в любой ямке, что существенно меняет динамику робота и делает его неуправляемым. Кроме того, трехколесная схема обладает малой статической устойчивостью к переворачиванию. При использовании для создания робота многоколесных схем на жестком шасси возможно множество вариантов, отличающихся количеством колес и способом управления. Наибольшую известность получила многоосная схема со всеми ведущими колесами, плоскости вращения которых неподвижны относительно корпуса (схема «луноход») [, ]. Как правило, у этих роботов все колеса являются ведущими, для этого каждое колесо оборудуется отдельным двигателем, обычно составляющим с колесом единую конструкцию (колесо-мотор). Для управления используется дифференциальное изменение вращающих моментов колес, расположенных на противоположных бортах робота. Особенности динамики подобных роботов подробно изложены в работе []. Достоинством этой схемы является простота конструкции, высокая статическая устойчивость к переворачиванию при движении по неровной поверхности, хорошая курсовая устойчивость при движении по прямолинейной траектории. К недостаткам этой схемы можно отнести: плохую управляемость и неоднозначность управления при движении по криволинейной траектории, что резко снижает точность объезда препятствий местности, а также большие потери энергии при движении по криволинейной траектории из-за бокового проскальзывания части колес []. Поэтому эта схема используется, в основном, при создании дистанционно управляемых роботов, работающих в очень тяжелых условиях, но переметающихся на небольшие расстояния. Четырехколесная схема с изменяемым положением плоскостей вращения передних колес относительно корпуса в настоящее время сравнительно редко используется при создании мобильных роботов. По-видимому, это связано, в основном, со сложной кинематикой подвески передних колес. Однако именно эта схема является наиболее перспективной для создания мобильных роботов, автономно перемещающихся по пересеченной местности, из-за высокой проходимости, хорошей маневренности, возможности движения «задним ходом».