免费论文：九自由度全方位步行车辆运动及控制研究

多足步行机构在不同类型的非结构化环境中有其独特的运动优点，多年来一直是世界范围的研究热点，许多国家都开发出各种各样的腿式行走机构或轮腿混合式行走机构。六腿行走机构容易实现静态稳定连续行走，是腿式移动机构的一个重要研究分支。目前的六足行走机构不论六足是按矩形机体两侧分布还是正六边形均匀分布，其行走和转向方式都是靠控制腿的运动实现，运动步态过于单调；且受机构设计和行驶工况的复杂性所限，姿态控制较为复杂，因而要实现常规步行机构灵活精确的全方位行走并不容易，其直线运动性能和转向运动性能在许多方面都有待改善。本文提出了一种新型的九自由度全方位步行车辆，它是在常规六足步行机器人的基础上增加了一个类似车辆的转向盘机构，因此它有步行控制和转向控制各自独立的特点，该类机器人在运动控制方面有较高的精确性和灵活性。它相比于常规的步行机构，控制系统变得简单有效，为腿式移动机构实现全方位行走、越障和姿态调整等较为复杂的问题提出了一种新的解决方案，具有重要的研究价值。本文围绕着九自由度全方位步行车辆的运动控制对其相关技术进行了系统研究，包括机构的组成、运动原理及特色、运动学与动力学的分析及仿真验证、全方位运动的位置速度跟踪及控制仿真、实物样机试验验证及基于超声波的环境目标智能感测定位技术和方法等内容。机构组成及运动学方面，介绍了九自由度全方位步行车辆的设计思想，结构特色及运动原理，对机构的步态规划和运动学进行了分析，提出了全方位步行车辆具有直线行走和全方位转向各自独立的特点，便于运动解耦计算和独立控制，步行车辆的全方位运动是直线行走和全方位转向的复合运动；在虚拟环境下建立了机构的仿真模型，并在设计的运动规划下对其进行直线行走运动分析和全方位转向运动分析，以此证明机构灵活精确的全方位运动性能。机构动力学分析方面，根据其机构特征和运动学原理，建立了机构在运动过程中的等效操作臂模型，基于拉格朗日力学法推导出机构的动力学方程，在虚拟仿真环境下建立了操作臂模型，规划其运动参数并对其进行线性和非线性动力学仿真；通过对仿真导出的动力学数据和计算得出的动力学数据的比较，证明了动力学方程的正确性。全方位车辆的控制仿真方面，借助于仿真软件工具对步行车辆的位置速度跟踪控制进行了研究。首先，在虚拟环境下建立了步行车辆的转向系统等效机构模型，与Matlab/Simulink实现了PID联合控制仿真；然后，在建立的步行车辆双关节力臂腿机构模型的基础上对足端位置速度跟踪控制进行了仿真，采用的跟踪控制算法分别是基于鲁棒自适应PD控制和基于计算力矩法的滑模控制方法，基于给定的控制律和具体的模型参数对两种控制算法的跟踪控制进行了仿真验证。全方位步行车辆的传感探测方面，结合了步行车辆的特点，重点研究了一种全新的基于超声波的多目标探测定位技术。采用三个收发一体的超声波换能器阵列对被测物体感测定位；不仅可以探测定位距探头较近的物体，而且可以探测出距探头较远的物体；实验以多个杆状物体为被测对象，验证了理论和方法的可行性和正确性。样机试验方面，设计了控制系统总体方案，建立了步行车辆实验台架，给出了软硬件系统的设计，在给定的运动规划和步态设计基础上编写了上、下位机通信及控制程序，并实现了人机交互和通信；最后对全方位步行车辆样机进行直线行走和全方位转向运动规划，并进行了实验研究和分析，验证了步行车辆样机具有较好的直线行走性能和灵活易控的全方位转向性能。

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