基于虚拟样机的月球探测机器人运动学建模

为增强月球探测机器人在三维崎岖环境下运动的动态调整能力,采用虚拟样机技术从车轮雅可比矩阵导出了月球车6个车轮的运动学方程。可用最小二乘法从6个车轮的单独雅可比矩阵导出月球车车体的位置和方向,用加速度计测量车体的俯仰角速度和滚动角速度,从而得到月球车的运动速度。仿真结果表明：用该运动学建模方法开发的HIT-1型月球车在崎岖地形中移动时具有动态调整其运动构型的能力,可增强车体的安全性和稳定性;该方法可作为一种通用的三维轮式移动机器人的运动学建模方法。     

基于CoDeSys的全向移动机器人控制系统设计

研究了全向移动机器人的运动控制问题,设计了一种基于CoDeSys的控制系统。首先,搭建了由两个全向轮和两个万向轮构成的对角驱动四轮全向移动机器人本体。然后,根据车体位置-航向偏差构建了Lyapunov函数,设计一种适应车体线速度的反馈控制律;根据逆运动学和牵引轮与航向轮速度约束对车体速度进行规划,解决车体因为进入奇异点区域而造成系统不稳定的问题,并使得跟踪期望轨迹时间最优。最后,在CoDeSys上位机上编写功能块,构建全局移动机器人运动控制系统,通过轨迹跟踪实验,验证控制算法的有效性。     

履带机器人的模糊PID的轨迹跟踪控制研究

履带机器人运行环境复杂,运动轨迹具有多变量、非线性等特点,难以建立精确模型。基于履带机器人的运动学模型,设计了履带机器人行驶过程中的位姿误差控制器,将实时角速度与期望角速度差值及差值变化率作为系统输入,由模糊PID控制器实时输出信号,控制履带机器人的驱动电机角速度。仿真结果表明,在低速环境下,该控制器对于履带机器人轨迹跟踪的响应速度快,稳定性较好。     

2自由度铰接车体车辆越障偏移饱和控制

针对2自由度铰接车体车辆直线越障偏移问题,建立车辆越障运动的动力学模型.以后车体绕z轴的角速度、沿y轴速度和前车体相对后车体的横摆角速度作为被控量,建立误差运动学模型,对误差系统进行稳定性和能控性分析.由于净转向力矩有上限,采用反步法设计系统的抗饱和控制器,对运动偏移控制中的液压转向机构输出饱和现象进行抑制.通过计算得到了在偏移控制过程中液压转向执行机构的净输出力矩随时间变化的曲线.结果表明:加入抗饱和控制器后,通过前后车体间的转向液压系统控制前后车体相对角速度,车辆越障运动时的y向偏移误差在5 s后收敛至0,前后车体夹角、后车体进方向的偏角也随时间逐渐收敛至0,车辆沿直线路径行进,证明抗饱和控制算法能有效地消除越障偏移误差.     

六圆柱轮式月球车动力学建模与仿真

为了实现月球车的运动控制与自主避障, 对六圆柱轮式月球车的动力学进行了建模与仿真研究.根据该六轮月球车的机构原理和结构特点, 分析了车轮的受力情况, 并根据车辆动力学理论给出了简化计算公式.利用凯恩方法建立了月球车的动力学方程, 并提出了基于动力学模型的车轮计算力矩控制方案, 利用MATLAB/Simulink完成了动力学模型和控制方案的仿真分析.研究结果表明,基于动力学模型的车轮计算力矩控制方案是可行的, 可以使月球车跟踪期望轨迹, 并按轨迹跟踪的精度要求来选择控制器的参数, 使得轨迹控制既满足位置精度, 同时也满足速度精度.     

AGV建模和自适应模糊滑模跟踪控制研究

介绍了自动导引小车AGV的跟踪控制技术的研究现状;建立了AGV跟踪误差系统运动学和动力学的混合模型;针对AGV的初始位存在误差或给定轨迹不连续时,传统PID轨迹跟踪控制器会使其初始速度产生一个较大跳变的问题,将滑模变结构控制技术与自适应模糊控制技术相结合,提出了一种基于模糊滑模的AGV自适应模糊路径跟随和轨迹跟踪控制器。仿真和实验结果表明,给出的自适应模糊滑模控制器不仅有较好的轨迹跟踪控制效果,而且具有较强的鲁棒性。     

深海采矿车的轨迹跟踪控制算法与仿真

根据深海采矿车的运动学模型,考虑随机打滑率等干扰影响,采用分层控制的思想将采矿车的轨迹跟踪控制分为2部分:轨迹跟踪模糊控制器和速度PID控制器.基于连续状态反馈的有限时间控制算法,结合模糊逻辑控制器,设计了一种连续的状态反馈轨迹跟踪控制算法,仿真结果表明了该方法的有效性.     

无人驾驶车辆路径跟踪控制器的设计及实现

为了提高无人驾驶车辆路径跟踪的精度与实时性,通过分析无人驾驶车辆的运动模型,提出一种结合补偿控制的模糊PID跟踪算法。采用G PS获取车辆位置信息,并与目标路径比较,从而求出位移的偏差和车辆航向角的偏差,以此作为控制器的输入信号。根据偏差量和偏差量的变化程度来决定方向盘的转向和车速,运用补偿控制对模糊控制器的输出值进行纠正,从而控制无人驾驶车辆实现路径的准确跟踪。试验结果表明,该算法能够准确跟踪各种参考路径,并具有较好的鲁棒性。     

智能车辆路径跟踪横纵向耦合实时预测控制器

为解决高速工况下低附着系数路面上智能车辆路径稳定跟踪控制问题,提出了基于非线性模型预测控制的车辆路径跟踪横纵向耦合集成控制器,并实现了实时控制.首先,根据期望的路径信息计算出期望的车辆横向速度.然后,将实际横、纵向车辆速度与期望速度的误差设为目标函数,同时考虑执行机构约束,设计了非线性模型预测控制器,优化求解出前轮转角和前、后轮驱动力,实现了车辆路径稳定跟踪控制.为了提高控制器的实时性,将非线性规划问题转换成代数方程组求解,采用并行牛顿方法进行方程组求解,通过解耦预测时域间方程组的耦合关系,降低优化问题的计算复杂度.最后,在双移线工况下进行控制器的仿真实验和硬件在环实验,实验结果验证了本文所设计控制器的有效性,可实现车辆路径跟踪的实时控制.     

紧耦合多机器人联合吊运系统逆运动学求解

针对多机器人共同吊运同一个物体形成闭运动链的协调系统,在给定系统构型的基础上,建立了系统运动学模型,并建立了系统动力学模型。分析了系统的运动学逆解,根据被吊运物体的六个自由度期望运动,给出了逆运动学的解析表达式。利用UG/ADAMS/MATLAB虚拟控制仿真系统,搭建了多机器人吊运系统虚拟实验平台。在确定的参数条件下,实验验证了所建立模型的合理性及逆运动学解析表达式的准确性,为进一步研究系统的轨迹规划、路径跟踪、稳定性等问题奠定了基础。     

月球车连杆式差速平衡机构的运动学分析

为了提高月球车运动时车体平稳性和车轮承力平衡性,设计了连杆式差速平衡机构,利用ADAMS软件建立了该机构的三维仿真模型,对其进行了运动学建模、计算和运动仿真,分别获得了机构主要构件运动计算数据曲线和运动仿真曲线,对比验证了建立的运动学模型的正确性和设计的差速平衡机构对车体运动平稳性的作用,样机实验结果与理论计算及仿真结果较好吻合,进一步验证了分析方法和结论的正确性.     

基于摇杆—转向架机构月球车机构运动学原理

基于摇杆-转向架机构月球车机构原理图建立相应的正向运动学坐标变换方程,得出各相应关节相对参考坐标原点的位姿,依此求出车体中心速度;再在各轮和铰相对右后轮高度差已知的情况下建立逆向运动学方程,给出求解相应关节相关参数的方法。     

Calculation on the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain and path planning

For the concerted motion of rocker lunar rover, the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain must be calculated. According to the character of passive shape-shifting adaptive suspension of rocker lunar rover, the model of rocker lunar rover and the model of terrain were both simplified. The pitch angle of rocker was calculated using forward solving, reverse solving and the method of offsetting the curve of terrain re- spectively. Because of the banishment of the nonlinearity of equation sets of calculation by reverse solving, the calculation of the pitch angle based on reverse solving was programmed by means of MATLAB. Simulations were carried out by means of ADAMS. The result verified the validity of the calculation based on reverse solving. It provides the theoretical foundation for motion planning and path planning of rocker lunar rover. As applications of the calculation of pitch angle of rocker, the multi-attribute decision making of path based on the concerted motion planning and the predictive control on lunar rover based on the Markov prediction model were introduced.     

Calculation on the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover on uneven terrain and path planning

Forthe concertedmotion of rockerlunar rover,the pitch angle of rocker of a rocker lunar rover in uneven terrain must be calculated.According to the character of passive shape-shifting adaptive suspension of rocker lunar rover,the model of rocker lunar rover and the model of terrain were both simplified.The pitch angle of rocker was calculated using forward solving,reverse solving and the method of offsetting the curve of terrain respectively.Because of the banishment of the nonlinearity of equation sets of calculation by reverse solving,the calculation of the pitch angle based on reverse solving was programmed by means of MATLAB.Simulations were carried out by means of ADAMS.The result verified the validity of the calculation based on reverse solving.It provides the theoretical foundation for motion planning and path planning of rocker lunar rover.As applications of the calculation of pitch angle of rocker,the multi-attribute decision making of path based on the concerted motion planning and the predictive control on lunar rover based on the Markov prediction model were introduced.     

基于 PID 控制的月面巡视探测器坡度行驶仿真分析

通过月面巡视探测器爬坡轮与地面的相互作用分析,建立月面巡视探测器坡度行驶地面力学模型。根据双闭环直流调速系统工作原理,采用位置式PID控制算法编写了电机驱动仿真模块,并将电机驱动仿真模块融合到月面巡视探测器多体动力学仿真体系中,构建了完整的月面巡视探测器动力学仿真系统。对月面巡视探测器坡度行驶工况进行仿真分析,初步实现了对月面巡视探测器动力学模型的验证,为月面巡视探测器驱动控制算法、运动规划和路径规划仿真提供技术支持。     

利用虚拟传感器的巡视器机械臂碰撞检测算法

为提高传统AABB树碰撞检测的精度和效率,提出一种基于虚拟传感器的月面巡视器机械臂碰撞检测算法.建立月面巡视器机械臂的逆运动学解算模型;对地面环境点云数据进行Delaunay三角化,采用多叉树代替二叉树作为AABB树储存环境点云三角面集;利用虚拟传感器简化巡视器机械臂结构模型,通过虚拟传感器遍历AABB树中的环境点云三角面集进行碰撞检测,避免机械臂与环境发生干涉.月面巡视器就位探测任务内场实验表明:基于虚拟传感器的月面巡视器碰撞检测算法使碰撞检测精度在1 mm内,碰撞检测时间降低至10 s内.基于虚拟传感器的碰撞检测算法具有高效性和可行性.     

两轮并列式月球车的性能及其稳定性分析

随着国内外新一轮探月高潮的掀起,新型的月球车越来越受到人们的关注.文章提出了一种两轮并列式月球车结构以适应月球探测的特点和要求,并对两轮车的驱动原理和性能进行分析,为月球车的应用提供理论基础和参考依据.两轮车行走中箱体平台的稳定性是其在视觉导航及多车对接应用中的关键环节,针对箱体平台的稳定性对两轮车系统进行建模仿真并提出了两轮车系统的模拟控制方案.仿真结果表明采用状态反馈控制可以有效的实现两轮车系统的稳定性控制.两轮并列式月球车的特点和稳定性分析为新型探月车的研究提供新思路.     

Numerical method for estimation of kinematical parameters for articulated rovers on loose rough terrain

Based on the study of passive articulated rover,a complete suspension kinematics model from wheel to inertial reference frame is presented,which uses D-H method of manipulator and presentation with Euler angle of pitch,roll and yaw.An improved contact model is adopted aimed at the loose and rough lunar terrain.Using this kinematics model and numerical continuous and discrete Newton’s method with iterative factor,the numerical method for estimation of kinematical parameters of articulated rovers on loose and rough terrain is constructed.To demonstrate this numerical method,an example of two torsion bar rocker-bogie lunar rover with eight wheels is presented.Simulation results show that the numerical method for estimation of kinematical parameters of articulated rovers based on improved contact model can improve the precision of kinematical estimation on loose and rough terrain and decrease errors caused by contact models established based on general hypothesis.     

基于刚柔耦合模型的月球车振动特性仿真

为了分析月球车在月表环境下的振动特性,将其作为一个刚柔耦合多体系统,基于三维实体造型和多体动力学分析软件建立了刚柔耦合动力学模型。根据美国国家航空航天局的研究,建立了月球表面位移功率谱数学模型,结合谐波叠加法获得了月表不平度。以六轮月球车样机JLUIV-6为研究对象,通过典型越障工况试验验证了所建模型的可靠性。以月面不平度作为振动激励对所建立的动力学模型进行了仿真,分析了月球车车体的振动响应及振动加速度幅频特性。结果表明,月球车在0.8～1.8Hz处存在明显的共振区域,为月球车系统设计及优化提供了依据。     

六圆柱-圆锥轮式月球车多轮协调运动控制研究

月球车的运动控制是月球车完成探测任务的前提.为实现月球车前进、后退和转向等基本运动功能,对六圆柱-圆锥轮式月球车的多轮协调运动控制进行了研究.根据六圆柱-圆锥轮式月球车的机构原理和结构特点,给出了月球车车轮的运动学约束条件,建立了月球车的运动学约束模型,针对月球车的基本运动要求,推导了月球车六轮协调运动的控制模型,并基于实时Linux和PC104总线计算机的车载计算机运动控制系统,对月球车的运动控制进行了实验研究.研究结果证实了六轮协调运动控制模型的正确性,为月球探测车的运动控制系统设计及月球车的自主避障功能等奠定了理论基础.