輪式移動(dòng)機(jī)器人滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)及遙操作技術(shù)研究.pdf

1、近年來，隨著輪式移動(dòng)機(jī)器人（Wheeled Mobile Robot-WMR）在許多領(lǐng)域起著越來越重要的作用（例如：星球探測(cè)、野外災(zāi)害救援等），吸引了許多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行各方面的研究。目前，對(duì)于WMR的研究多數(shù)是基于車輪純滾動(dòng)的理想假設(shè)進(jìn)行的。然而，當(dāng)WMR行駛在松軟地形（比如星球表面）上時(shí)，輪地接觸表面會(huì)產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)WMR的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型帶來干擾，導(dǎo)致對(duì)WMR的遙操作變得極為復(fù)雜。因此，有必要針對(duì)具有滑轉(zhuǎn)干擾的WMR進(jìn)行遙

2、操作控制的研究。
　　為了補(bǔ)償操作者對(duì)從端WMR運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及環(huán)境的感知能力，本文基于開放式動(dòng)力學(xué)引擎Vortex，在前期研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善了前期所開發(fā)的WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)平臺(tái)——ROSTDyn1.1。針對(duì)WMR在任意工況下的任意運(yùn)動(dòng)，完善了輪地接觸模型相關(guān)參數(shù)的解算算法，并引入阻尼項(xiàng)來緩沖法向震動(dòng)來維持預(yù)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用增加解算頻率和降低圖像刷新頻率的策略來進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)速度和預(yù)測(cè)精度。預(yù)測(cè)速度測(cè)試結(jié)果表明ROSTDyn1.1能

3、夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)仿真；實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的對(duì)比證明了其具有較好的保真度。
　　為了消除由預(yù)測(cè)模型的局限性以及土壤參數(shù)波動(dòng)導(dǎo)致的滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)誤差，本文提出了一個(gè)模型參數(shù)在線修正方法。通過數(shù)據(jù)辨識(shí)方法消除數(shù)據(jù)中的異步誤差之后，針對(duì)最敏感參數(shù)，結(jié)合動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)誤差推導(dǎo)了它們的修正模型；同時(shí)，為了消除預(yù)測(cè)模型的非線性，提出了有效系數(shù)的概念。采用ROSTDyn1.1和WMR原理樣機(jī)進(jìn)行的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出參數(shù)在線修正方法能夠快速地消除滑轉(zhuǎn)率的

4、預(yù)測(cè)誤差。
　　針對(duì)在松軟地形下的WMR雙向遙操作問題，本文首先建立了在車輪滑轉(zhuǎn)下的WMR運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；無源性理論分析表明當(dāng)滑轉(zhuǎn)率導(dǎo)數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)，WMR/地形環(huán)境端呈現(xiàn)出一定程度的有源性。本文提出了基于TDPC和SOP的補(bǔ)償策略來補(bǔ)償環(huán)境端的有源性，并采用Llewellyn準(zhǔn)則來保證WMR雙向遙操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性；同時(shí)，提出了三種穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法來消除固定通信時(shí)延的影響。最后，采用搭建的WMR雙向遙操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的方

5、法能夠有效地補(bǔ)償環(huán)境端的有源性以及通信時(shí)延的干擾，并產(chǎn)生穩(wěn)定的WMR雙向遙操作系統(tǒng)，且具有較好的位置-速度跟蹤性能和力透明性。
　　針對(duì)具有轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)和滑轉(zhuǎn)的WMR雙邊遙操作問題，建立了受左右兩側(cè)車輪滑轉(zhuǎn)影響的WMR運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于無源性分析證明了WMR/地形環(huán)境端是潛在有源的。設(shè)計(jì)了具有二維運(yùn)動(dòng)的WMR雙向遙操作系統(tǒng)，提出了新的環(huán)境端有源性補(bǔ)償算法；采用無源性分析方法保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和力透明性。WMR遙操作實(shí)驗(yàn)證明本文提出的設(shè)計(jì)

6、方法在WMR的前進(jìn)線速度和轉(zhuǎn)向角速度上都能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的跟蹤性能，且在這兩個(gè)維度上都能較好的感知環(huán)境端力。
　　在高危地形下，當(dāng)WMR遙操作系統(tǒng)無法獲取到足夠反饋信息來保證操作性能時(shí)，本文基于WMR滑轉(zhuǎn)率預(yù)測(cè)平臺(tái)提出了一個(gè)新的WMR三向遙操作預(yù)測(cè)共享控制架構(gòu)，預(yù)測(cè)端和從端WMR的線速度和主端機(jī)器人的位置通過共享控制策略相互跟蹤。預(yù)測(cè)平臺(tái)與從端機(jī)器人環(huán)境端的有源性則分別采用本文提出的SOP補(bǔ)償策略進(jìn)行補(bǔ)償；通過保證該系統(tǒng)的無源性來保證