移动机器人动力学建模及运动控制仿真

1、第21卷第1期天津理工大学学报V ol. 21N o. 12005年2月JOURNA L OF TIAN JIN UNIVERSIT Y OF TECHN OLOG Y Feb. 2005文章编号:16732095X (2005 0120054204移动机器人动力学建模及运动控制仿真朱向彬, 曹作良, 冯玉伯(天津理工大学机械工程学院, 天津300191摘要:智能移动机器人本体具有较大的惯性特征和快速运动能力, 而系统的耦合性又降低了系统的可控性, 这增加了机器人精确导航的难度. 本文介绍了机器人系统的动力学模型, 并通过PD 2PI D 控制器进行了信号仿真. 证明了该模型的合理性和PD 2

2、PI D 控制器对降低移动机器人紧急动作的本体惯性因素影响的有效性. 关键词:移动机器人; 动力学; 建模; PD 2PI D 控制中图分类号:TP242. 2文献标识码:AMobile motion simulationX bin , CAO Zuo 2liang , FE NG Y u 2boof Engineering , T ianjin University of T echnology , T ianjin 300191, China Abstract :Intelligence m obile robotics has mass inertial feature and high

3、 speed m otion ability ,otherwise controllable of the system is degraded by its coupling , the above facts enhance difficult to precious navigating robotics. This article introduces kinetics m odel of m obile robotics , and the implication of PD 2PI D control on it , and the simulation has been done

4、. The utility of this m odel has been con formed ,and the factor of inertial caused by emergency m otion of robot can be reduced by PD 2PI D control. K ey w ords :m obile robotics ; kinetics ; m odeling ; PD 2PI D control伴随着现代工业自动化的高速发展, 特别是智能化设备在自动化生产线上的广泛应用, 移动机器人特别是轮式移动机器人, 在更大的程度上显示了它的重要性和实用性. 当

5、前在移动机器人领域研究的一个重要问题是机器人动作的可控性, 这是对移动机器人进行智能控制和远程控制的重要保证. 具体而言, 就是保证移动机器人对上位机输出指令响应的准确性和实时性.移动机器人是一个复杂的机电一体化实体. 该系统是复杂的电气与机械耦和系统. 系统中存在着一些非线性甚至是不确定因素如矢量解耦的不完全性、负载模型参数的大范围变化、电机的饱和现象、电机的齿槽效应、机械摩擦等. 移动机器人的运动控制主要是对该耦合系统的位姿和速度的自动控制, 要达到良好的控制精度除了提高检测装置的精度外, 更重要的是要采用先进的控制策略 . 运动控制的方法主要有PD ,PI D , 模糊PI D , 以及

6、神经网络等. 这些控制收稿日期:2004210218.基金项目:天津市自然科学基金资助项目(023615011 ., 男, 硕士研究生. 第一作者:朱向彬(1977方式伴随着功能日益强大的工控机, 高速数字信号处理器DSP 及嵌入式等技术的迅速发展, 在移动机器人的运动控制领域被充分体现.本文结合Matlab 的仿真功能, 为提供一个可用于移动机器人运动控制算法研究的仿真试验平台, 建立了以本课题组全自主智能导航平台本体为参照的移动机器人动力学模型. 该模型充分体现了移动机器人的运动学特性、动力学特性和机电耦和特性.1全自主智能导航平台本体全自主智能导航平台是用于教学科研的4轮结构移动平台,

7、如图1. 该平台主要由机械系统、驱动控制系统、视觉系统、传感器系统、通信系统、上位机系统等组成. 该平台机器人控制系统采用主从式控制结构, 主控上位机采用的是低功耗CPU 工控机; 下位机为数字信号处理器DSP. 驱动系统采用四轮控制结构, 前两轮为导向轮, 后两轮分别由直流步进电机驱动. 2005年2月朱向彬, 等:移动机器人动力学建模及运动控制仿真55a 2ab -b a -1v Rx =v Ry(411-1v Rx v 上式反解, 可得:1=R (a +b 此外, 还存在:v Rx =R b(5(6图1全自主智能导航平台Fig. 1The platform of intelligent

8、om ni 2navigation考虑直流电机驱动特性, 其输出转矩、转速和输入电压存在如下关系:=u R (J ; K e t t(72移动机器人运动单元建模移动机器人为立方体(图2 , 1和l 2, 为1, u a 为输入电压, T d , J 为电机转动惯量. 忽略电机转动惯, 简化上式得:1=u 1-F 12=u 2-F 2K e. K e K t(8a (8b , =:J rob ot =122(l 21l 2这里, 这里F 为输出驱动力, =联立式(4 , 可以得到:u 1-F 11=R (a +b u 2-F -1由式(1 和式(6 可以得到(F 1-F 2 (a =J rob

9、ot 2bv Rx v (9图2移动机器人运动参照Fig. 2The reference of mobile robot motion由式(3 和式(9 可得:2 +(v +v Ry u 1=2v Rx +f (2ab R (a +b Rx ( 2(v -v Rx f -2v Rx +u 2=2R (a +b Ry abR 2aT d 2=F 2R =(m rob ot v R -R 2a T d 1=F 1R =(m rob ot v R +(10 (11设移动机器人瞬时转动速度为 R , 沿顺时针方向转动, 这里R =; 设两个后轮的驱动力分别为F 1和F 2, 则存在:(F 1-F 2

10、a =J rob ot R ; F 1+F 2=m v Rx +v Ry22(12(1经由以上推导, 由式(4 可以推导车体的位姿, 由式(12 可以获得在动力学因素影响下的车体运动所需电机驱动力矩.(v Rx+v Ry9t 9t(2=m rob ot v F 1=F 2=3移动机器人的运动控制系统移动机器人的运动控制系统是一个计算机控制的伺服系统, 如图3示. 该系统由系统控制器、受控电机(直流电机 、电子罗盘(反馈测量装置 以及比较器等(m rob ot v R +2a R (m rob ot v R +2a R(3考虑移动机器人的速度, 设后轮半径为R , 则存在2:部分组成, 控制器按

11、预定的控制规律调节能量的输入,以使系统产生所希望的输出. 天津理工大学学报第21卷第1期56图3移动机器人控制系统Fig. 3Mobile robot control system4移动机器人驱动系统及控制仿真移动机器人运动控制模型的Matlab 仿真如图 4所示3.PI D 控制, 提高控制精度4 ., 对两驱以下是系统响应的, 71图5PD 2PI D 控制器Fig. 5The controlor of PD 2PI D图4移动机器人动力学模型及其控制模块Fig. 4The dynam atic model of mobile robotand control module该模型的建立环境

12、为Simulink 6, 整个模型主要由以下部分组成:电机模型; 负载力矩换算单元; 车体状态换算单元; 控制器单元.5基于移动机器人动力学模型的控制器性能仿真试验移动机器人依据上位机控制指令, 完成车体动作和位姿调整. 试验过程中车体的瞬时速度和瞬时角速度是主要的观测对象, 通过对以上观测对象的积分可以获得移动机器人的位姿. 本试验模型以驱动电机为受控对象, 以负反馈的形式与控制器相连, 完成对本模型的测试和移动机器人运动控制器的初步研究. 以全自主智能导航平台实体为参照, 代入实值于模型的各个参量, 以PD 2PI D 控制器作为控制器单元(图5 , 完成对该模型的测试. PD 2PI D

13、 控制器可以依据偏差绝对值的大小进行简单自适应控制 , 当偏差绝对值较大时采用即控制, 提高响应速度; 较小时采用图6紧急起停命令响应Fig. 6The respond of emergence stop图7对典型直行命令的响应Fig. 7The respond of straight motion2005年2月朱向彬, 等:移动机器人动力学建模及运动控制仿真57以上两图横轴为时间(s , 纵轴为车体速度(m/s . 图6显示了模型在考虑机器人惯性因素和不考虑惯性因素的不同响应品质. 图7显示了PD 2PI D 控制器对模型在不同运动速度下的控制特性.该移动机器人动力学模型较好的反应了移动机器

14、人的包括惯性因素在内的特征, 可以作为虚拟实体, 当作机器人底层运动控制的研究依托. 参考文献:1哈尔滨工业大学理论力学教研室. 理论力学M.哈尔6结语从试验结果可以看出, 惯性因素在机器人速度快速变化时对系统的运动有显著的粘滞作用, 因此, 在设计移动机器人的控制系统时不考虑车体的惯性因素, 将严重降低机器人运动的启动、停车和避障能力. 特别是在机器人高速运动中产生紧急加速度变化时, 不考虑惯性因素将导致较大的位置误差.滨:高等教育出版社,1983.2赵新华, 曹作良. 可移动机器人的运动学模型与控制原理J.机器人,1994,16(4 :2152218.3姚俊, 马松辉. S imulink

15、 建模与仿真M.西安:西安电子科技大学出版社,2002.4. 先进LAB 仿真M.北京:电(上接第42页余压应力, 但可以获得晶形和表面形貌较好的大面积的金刚石膜. 在其条件不变时, 通过控制基底温度, 可以择优生长(111 面或(100 面, 在温度为800的金刚石膜晶形较好, 以(100 为主, 低于此温度时, 以(111 为主. 参考文献:1宋雪梅, 张兴旺, 王波, 等. 多排热丝沉积大面积金刚由图3可以看出, 金刚石以(111 晶形为主, 这与利用X 2ray 衍射得到的结果角度的(111 晶形, 清楚地显示了在此基底温度下, 金刚石膜中(111 和(100 晶形共存状态. 温度较低时以(111 晶形为主, 温度较高时, 以(100 晶形为主, 这与文献4的随温度升高主要现(100 面的结果是一致的. 在沉积时间内, 温度存在由低温到高温的过程, 晶形处于由低温的(111 到高温的(100 的过渡状态.石薄膜中热丝参数的影响J.北京工业大学学报,1999,25(3 :92-96.2何贤, 张志明, 沈荷生, 等. 钨和钽丝碳化后的结构变3结论利用热丝化学气相沉积方法, 采用分次连续沉积的办法, 获得了较厚的金刚石膜, 利用拉曼光谱、X 2ray 射线衍射、扫描电子显微镜对其进行结构和形貌的观察, 发现利用此种方法沉