轮式移动机器人导航控制与路径规划研究
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随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展,移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。同时,太空资源、海洋资源的开发与利用为移动机器人的发展提供了广阔的空间。 本文结合“陀螺导引AGV系统”和“多机器人系统协调”两个工程项目,研究单个轮式移动机器人的导航控制与路径规划以及多移动机器人系统的协调问题。本文的主要工作与取得的研究成果如下: (1) 概述了轮式移动机器人的国内外研究现状。 (2) 分别建立了前轮驱动并可转向的移动机器人和两轮差动驱动的移动机器人的运动学和动力学模型。在实际工程中,由于存在车轮直径不相等和测量不精确等因素,通过应用陀螺仪和里程计对移动机器人的运动学模型进行校正。 (3) 对移动机器人的导航定位进行了研究,应用陀螺仪+里程计的惯性导航与磁感应器修正的组合导航方法,采用卡尔曼滤波算法进行数据处理,并进行试验研究。结果表明该组合导航方法能够解决纯惯性导航误差随时间增长而累积的固有缺点。此方法在实际工程中得到了应用。 (4) 对移动机器人的路径规划进行了研究。基于模糊逻辑进行路径规划,并在远离障碍物的环境和遇到障碍物的环境两种情况下进行仿真实验,结果表明该路径规划方法能够使得机器人避开障碍物顺利到达目标点。 (5) 设计了四次曲线路径,该路径是对常规二次曲线路径的改进。由于四次曲线路径更为平滑,使得机器人的前轮偏角变化也平滑,仿真与试验结果验证了该路径设计的有效性。 (6) 对移动机器人的控制问题进行了研究。基于Lyapunov直接法设计了移动机器人的点镇定控制律和轨迹跟踪控制律,并进行了仿真研究;基于反馈线性化方法分别对前轮驱动并可转向和两轮差动驱动的移动机器人设计了路径跟踪控制律,并进行仿真研究;基于滑模变结构方法设计了移动机器人的轨迹跟踪控制律,并进行仿真研究;基于模糊逻辑方法设计了移动机器人的路径跟踪控制律,并进行试验研究。仿真和试验结果验证了所设计控制律的有效性和可行性。 (7) 对多移动机器人系统进行了研究。分析了多移动机器人系统的两种典型结构:①多移动机器人之间不直接进行通讯而是通过局域网络进行通讯的结构;②
摘要 | 第4-6页 |
ABSTRACT | 第6-7页 |
第一章 绪论 | 第10-26页 |
1.1 引言 | 第10-11页 |
1.2 研究现状与发展趋势 | 第11-24页 |
1.2.1 概述 | 第11-15页 |
1.2.2 研究现状 | 第15-24页 |
1.2.3 发展趋势 | 第24页 |
1.3 本文的主要研究内容 | 第24-26页 |
第二章 移动机器人建模 | 第26-41页 |
2.1 引言 | 第26页 |
2.2 移动机器人结构模型 | 第26-27页 |
2.3 移动机器人驱动和转向控制系统模型 | 第27-29页 |
2.4 非完整移动机器人运动学模型 | 第29-34页 |
2.4.1 前轮驱动并可转向的移动机器人运动学模型 | 第30-31页 |
2.4.2 两轮差动驱动的移动机器人运动学模型 | 第31-34页 |
2.5 非完整移动机器人动力学模型 | 第34-37页 |
2.5.1 前轮驱动并可转向的移动机器人动力学模型 | 第34-35页 |
2.5.2 两轮差动驱动的移动机器人动力学模型 | 第35-37页 |
2.6 完整移动机器人模型 | 第37-40页 |
2.7 本章小结 | 第40-41页 |
第三章 移动机器人导航定位 | 第41-51页 |
3.1 引言 | 第41-42页 |
3.2 基于行为的移动机器人导航 | 第42-43页 |
3.3 移动机器人组合导航 | 第43-50页 |
3.3.1 组合导航算法原理 | 第43-48页 |
3.3.2 试验与分析 | 第48-50页 |
3.4 本章小结 | 第50-51页 |
第四章 移动机器人路径规划 | 第51-66页 |
4.1 引言 | 第51页 |
4.2 移动机器人的全局路径规划 | 第51-60页 |
4.2.1 概述 | 第51-53页 |
4.2.2 基于模糊逻辑的移动机器人路径规划 | 第53-60页 |
4.3 移动机器人的局部路径规划 | 第60-62页 |
4.4 移动机器人路径设计 | 第62-65页 |
4.4.1 常用的二次曲线路径生成方法 | 第62-63页 |
4.4.2 改进的四次曲线路径生成方法 | 第63-64页 |
4.4.3 试验与分析 | 第64-65页 |
4.5 本章小结 | 第65-66页 |
第五章 移动机器人控制 | 第66-91页 |
5.1 引言 | 第66-67页 |
5.2 移动机器人的点镇定问题 | 第67-71页 |
5.2.1 基本原理 | 第67-68页 |
5.2.2 仿真实验与分析 | 第68-71页 |
5.3 基于Lyapunov直接法的移动机器人轨迹跟踪控制 | 第71-74页 |
5.3.1 基本原理 | 第71-72页 |
5.3.2 仿真实验与分析 | 第72-74页 |
5.4 基于反馈线性化的移动机器人路径跟踪控制 | 第74-83页 |
5.4.1 前轮驱动并可转向移动机器人的路径跟踪控制 | 第74-78页 |
5.4.2 两轮差动驱动移动机器人的路径跟踪控制 | 第78-83页 |
5.5 基于滑模变结构的移动机器人轨迹跟踪控制 | 第83-86页 |
5.5.1 基本原理 | 第83-84页 |
5.5.2 仿真实验与分析 | 第84-86页 |
5.6 基于模糊逻辑的移动机器人路径跟踪控制 | 第86-89页 |
5.6.1 基本原理 | 第86-88页 |
5.6.2 试验与分析 | 第88-89页 |
5.7 本章小结 | 第89-91页 |
第六章 多移动机器人协调 | 第91-101页 |
6.1 引言 | 第91-92页 |
6.2 多移动机器人系统的体系结构 | 第92-93页 |
6.3 多移动机器人路径规划 | 第93-95页 |
6.4 多移动机器人编队 | 第95-100页 |
6.4.1 基本原理 | 第95-98页 |
6.4.2 仿真实验与分析 | 第98-99页 |
6.4.3 试验与分析 | 第99-100页 |
6.5 本章小结 | 第100-101页 |
第七章 全文总结 | 第101-103页 |
7.1 结论 | 第101-102页 |
7.2 进一步的研究工作 | 第102-103页 |
参考文献 | 第103-114页 |
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果 | 第114-116页 |
致谢 | 第116-117页 |
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