前轮驱动自行车机器人定车运动的建模与实现

针对前轮驱动自行车机器人原地难以实现定车问题,提出一种简化的力学模型,并研究其部分反馈线性化控制策略.首先,考虑车轮纯滚动条件及定车时车把和车架垂直的特点,推导出前轮驱动角速度和车架航向角速率间的约束关系,并利用拉格朗日方程建立系统的动力学模型.然后,将系统欠驱动的车架横滚角线性化,并选择全部自由度为输出,根据部分反馈线性化原理设计定车运动控制器.仿真控制结果表明,适当地选取控制参数,系统可以在输入驱动力矩不大的情况下快速实现±10°范围内定车.物理样机实验进一步证明,利用所设计的控制器,前轮驱动自行车机器人可仅依靠前轮驱动实现小角度范围的原地定车运动.     

拖挂式自行车机器人机构设计与非完整约束分析

负载能力是评测自行车机器人机构性能的1个重要指标,针对现有的两轮自行车机器人机构负载能力不足的问题,提出1种由两轮自行车(牵引车)和单轮挂接车构成的新型自行车机器人机构,重点对机构的非完整约束特性进行研究。以车轮纯滚动为基础,结合相对运动原理分析系统的运动约束特性,结果发现牵引车驱动速度与挂接车速度存在着一定的函数关系。通过物理样机骑行试验的方法,给出系统相关运动变量关系的验证算例。所得结果表明,约束计算得到的变量曲线和测量得到的变量曲线基本一致,验证了非完整约束分析的可靠性。研究结果可为该新型自行车机器人机构的动力学建模和驱动优化设计提供理论参考。     

自行车机器人质心位置对回转运动的影响

针对一台自行车机器人,研究机器人质心位置水平和竖直变化对车体回转运动的影响问题。引入査普雷金(Chaplygin)方程建立自行车机器人系统的力学模型,采用线性二次型调节器(LQR)设计车体回转运动的平衡控制器,通过调节质量块位置水平和竖直变化改变车架质心位置,以车把90°转角为例对控制系统进行数值仿真和物理试验。结果表明:选择同样的加权矩阵,适当的使车架质心向左水平移动或向上竖直移动,车架横滚角由初始的偏角更快地恢复到平衡位置,且前车轮控制力矩更小。研究结果可为该平衡车机器人的结构和驱动优化设计提供理论参考。     

基于重型卡车的分布式车门控制系统设计

针对重型卡车车门控制系统中对减少线束、降低成本和智能化控制的要求,提出了一种基于Freescale芯片的智能分布式车门控制系统解决方案。详细介绍了分布式控制系统在车门模块中的硬件电路设计,并给出了软件设计思想。经实验表明,该系统能够准确、可靠的实现预期控制效果,验证了该控制系统的可行性以及智能化。     

基于双DSP的自行车机器人控制系统设计

对前轮驱动自行车机器人的控制系统嵌入式硬件平台构建问题进行了研究,提出了一种以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)为控制系统核心,以TMS320F2812数字信号处理器为信号采集模块,以C8051F020单片机为电机控制器,融合惯性测量单元、光电编码器、霍尔电流传感器,超声波传感器等多感知传感模块的前轮驱动自行车机器人嵌入式控制系统构架;利用F2812的片内外设采集传感器信号获得机器人内部状态及其外部的环境信息,构造CAN总线、SPI总线以及RS232总线在系统内进行数据通讯,通过F28335完成运动算法计算,并由C8051F020的PCA模块发出PWM信号驱动前轮电机和车把电机完成一个控制周期;样机试验表明,设计随动车架横滚角的控制器控制前轮速度和车把转角,构建的控制系统硬件可以使自行车机器人平衡行走超过5s.     

模块化机器人的惯性参数辨识研究

提出了一种基于六维力/力矩传感器的模块化机器人惯性参数辨识的方法。首先,通过Newton-Euler方程建立模块化机器人的动力学方程,然后利用基座力旋量平衡原理建立辨识模型对动力学方程中的未知参数进行辨识,最后以德国AMTEC公司生产的PowerCube模块化机器人实体对这种方法进行了实验验证。     

彩色数字图像的脆弱数字水印

针对彩色数字图像局部区域内容保护和认证,研究了彩色数字图像的脆弱数字水印.为了保证水印的安全性,利用三维二值混沌序列对原始二值水印图像进行加密,对提取的加密二值水印图像进行解密.嵌入载体图像的水印和从嵌入水印的图像中提取的水印均是加密水印.将彩色数字图像中被保护区域的三个分量的小波变换域分别嵌入加密水印,以保护其内容的完整性和不可篡改性.采用模运算实现水印的嵌入和盲提取.理论分析和实验结果表明,该脆弱水印算法对彩色数字图像保护区域内的任何篡改,都能够正确地检测和定位.     

45°车把转角下前轮驱动自行车机器人的定车运动

针对无配重调节器的自行车机器人在低速下不易平衡的问题,以一种前轮驱动自行车机器人为对象,给出其力学模型及在45°车把转角下定车运动的实现方法。通过车轮转弯半径分析推导出后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度、车把转角的关系,采用拉格朗日方程建立系统的力学模型;根据部分反馈线性化原理,将包含车架横滚角的欠驱动子系统线性化,设计出自行车机器人45°车把转角下定车运动的平衡控制器。仿真控制结果表明,合理选择控制参数,控制器可以快速地实现自行车机器人在45°车把转角下的定车运动;样机试验结果进一步证明,控制器可以使自行车机器人在不超过驱动电动机的力矩容限下实现45°车把转角下的定车运动。定车运动的实现从理论和试验两个方面证明,自行车机器人在低速下可以不需要配重调节器,仅依靠车把转动和前轮驱动保持稳定平衡。     

无人驾驶自行车驱动轮纵向滑移率的估算方法

车轮质心线速度求解是无人驾驶自行车驱动轮滑移率估算的关键问题。本文探讨动态估算无人驾驶自行车驱动轮纵向滑移率的方法,建立一种可以实时描述车架侧向运动的二阶动态响应数学模型,结合多种车载传感器的信息,借助两种不同的途径推导出驱动轮质心速度,通过加权滤波对两者进行折中得到驱动轮质心速度的估计值,最后根据车轮的转速与求得的质心速度给出滑移率的计算算法。本文通过虚拟样机仿真和物理样机实验的结果验证了所提方法的有效性。