Разработка алгоритмов управления и ориентации мобильных роботов

• Автор: Русак, Алена Викторовна
• Шифр специальности: 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 172 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ.

1.1 Кинематические схемы колесных роботов. Модельные предложения

1.2 Формирование систем координат и геометрия робота.

1.3 Кинематические характеристики колес

1.4 Механические системы с кинематическими ограничениями. Классификация неголономных систем.

1.5 Кинематическая модель движения платформы колесного робота

1.6 Динамическая модель колесного робота.

1.7 Динамическая модель двухприводного колесного робота

1.8 Уравнения Маджи для электромеханических систем с неголономными связями.

1.9 Электромеханическая модель двухприводного колесного робота
2 АНАЛИЗ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ КОЛЕСНЫХ РОБОТОВ
2.1 Управляемость
2.2 Канонические формы и дифференциально плоские системы.
2.3 Статическая и динамическая линеаризация моделей колесных роботов
2.4 Стабилизация неголономных систем относительно положения равновесия
3 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
3.1 Описание задач.
3.2 Описание мобильного робота Невская стрела
3.3 Сенсорная система
3.4 Структурная схема системы управления.
3.4.1 Анализатор.
3.4.2 Регулятор
4 АЛГОРИТМЫ ОРИЕНТАЦИИ РОБОТА НА ПОЛИГОНЕ
4.1 Конечные автоматы
4.1 Л Решение задачи Куча
4.1.2 Решение задачи Маякиворота
4.1.3 Решение задачи Маякиворотавосьмерки
4.1.4 Решение задачи Змейка
4.2 Алгоритм корректировки траектории движения.
5. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ
5.1 Управление ориентацией робота
5.2 Управление продольным перемещением робота
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Задачей данного раздела является системное изложение вопросов, связанных с построением, классификацией и анализом математических моделей колесных роботов. Кинематические схемы колесных роботов. Колесный робот представляет собой самоходную колесную машину с автоматическим управлением. Основными элементами конструкции робота являются ходовое оборудование, информационная система и система управления. Ходовая часть робота состоит из подвижного основания (корпуса, платформы) и колесных модулей, которые обеспечивают требуемое направление и скорость перемещения робота на плоскости. Колесный модуль, в свою очередь, состоит из колеса, подвески и приводного механизма, который обычно включает двигатель постоянного тока, встроенный редуктор, тормоз и т. Конструкции применяемых на практике колесных модулей в зависимости от типа используемой подвески можно подразделить на неподвижные (фиксированные), поворотные симметричные (рулевые) и поворотные асимметричные. Рисунок 1. Под неповоротным колесным модулем (рисунок 1. Модуль данного типа не может быть рулевым, но может быть приводным, т. Поворотный симметричный колесный робот (рисунок 1. Кроме того, модуль данной конструкции может также быть и приводным. Если колесный модуль данной конструкции не является рулевым, то его поворот вокруг вертикальной оси осуществляется с минимальным усилием. В этом случае его также называют флюгерным или самовыравнивающимся. Сочетание неповоротных, поворотных симметричных и асимметричных колесных модулей образует кинематическую схему робота (рисунок 1. Рисунок 1. Кинематические схемы Разнообразие кинематических схем колесных роботов объясняется целым рядом особенностей их использования. К таким особенностям относится, в частности, необходимость иметь максимальную маневренность при минимальной сложности конструкции робота и, как следствие, его стоимости. Активное поведение колесных роботов в сложном окружении достигается при использовании новых более сложных кинематических схем, а также развитых систем измерения, очувствления и управления. В каждый момент времени плоскопараллсльное движение твердого тела совпадает либо с поступательным, либо с вращательным движением относительно некоторой точки, называемой мгновенным центром скоростей (МЦС). Прямая, проходящая через мгновенный центр скоростей и любую точку данного тела, перпендикулярна вектору линейной скорости этой точки. Для колесного робота при отсутствии поперечного проскальзывания колес направление вектора линейной скорости центров колес неповоротных и поворотных симметричных модулей определяется ориентацией продольных осей этих колес, следовательно, положение мгновенного центра скоростей платформы находится как точка пересечения прямых, проходящих через центры колес и перпендикулярных их продольным осям (рисунок 1. Если колеса расположены так, что эти прямые не пересекаются в одной точке, мгновенного центра скоростей не существует, следовательно, движение на плоскости в этом случае невозможно. Если кинематическая схема робота включает два неповоротных колеса, горизонтальные оси которых не совпадают, то робот может осуществлять движение только относительно фиксированного мгновенного центра скоростей. Такая конструкция является вырожденной с практической точки зрения. Рисунок 1. Проведем сравнительный анализ кинематических схем, приведенных на рисунке 1. Для кинематической схемы робота, снабженного только поворотными асимметричными колесными модулями (рисунок 1. Следовательно, для его перемещения относительно платформы необходима предварительная переориентация колеса данного модуля. Особенностью кинематической с поворотными асимметричными модулями и одним неповоротным модулем (рисунок 1. В этом случае перемещение центра скоростей платформы вдоль оси не требует переориентации колес. Если в состав схемы входят два и более неповоротных модуля (рисунок 1. В кинематической схеме, содержащей два соосных неповоротных колеса и один поворотный симметричный модуль (рисунок 1. Маневрирование такого робота осуществляется за счет переориентации поворотного колеса.