可展轮式机器人非结构化地形下动态性能和自适应控制

轮式移动机器人有着运动灵活、控制简便和高速高效等优点，但也有其显著的缺点，如越障和通过性能不足，在崎岖复杂的非结构化地形上的适应能力稍差，究其原因是车轮与地面附着力不足造成的。申请者研究的变直径可展轮式机器人，希望通过主动调整车轮直径的方法提高机器人的通过性能和地形适应能力。本项目针对变直径可展轮式机器人的关键技术进行研究，基于地面力学理论建立可展车轮驱动的数学模型，获得可展车轮提高车轮驱动能力的理论依据。研究变直径车轮对机器人通过性、稳定性和地面适应性等移动性能的影响，建立可展车轮展开的动力学模型，并基于虚拟激励法建立整个机器人行走的振动动力学模型，通过虚拟仿真分析可展车轮对电机驱动力矩和控制系统的影响，提出了基于临界质心域法建立机器人运动自适应控制模型，获得机器人行走的多种模态，使机器人能够智能的、合理地控制车轮展开，深入发掘轮式机器人的运动潜力，拓宽其应用范围。

为提高轮式移动机器人在室外非结构化环境下的移动性能，本项目承担人提出了一种可展轮式移动机器人，通过主动调整车轮直径和被动悬架相结合的方法提高机器人的通过性能和地形适应能力。本项目针对变直径可展轮式机器人的关键技术进行研究，基于地面力学知识分析可展车轮，研究变直径可展车轮提高车轮牵引性能的机理，研究其对机器人稳定性、通过性和越障性等性能的影响，研究可展轮式移动机器人运动学和动力学，提出一种可行的机器人自适应控制算法，使其能够根据地形工况智能地、合理地控制车轮直径变化。. 本项目基于地面力学理论建立了可展车轮驱动的数学模型，获得了可展车轮提高车轮驱动能力的理论依据。对可展轮式机器人的越障机理进行了分析，分析了机器人爬坡、越障、驱动效率等移动性能，获得了机器人移动性能和结构参数间的数学关系。在仿真软件ADAMS中建立可展轮式机器人的虚拟仿真模型，针对单轮展开、台阶越障、爬坡、崎岖地形和自适应控制等方面的仿真，仿真结果验证了前面理论分析的正确性，并为后续的控制提供了参考。建立了可展轮式机器人的动力学模型，分析行走过程中的受力规律。在机器人自适应控制算法方面，提出了适应本机器人的自适应控制算法，提出了基于质心域的控制方法，本项目研究中通过IMU获得了机器人的姿态，通过质心域计算需要展开的车轮和展开角度，实现崎岖地形中的自主展开。同时本机器人通过超声传感器和红外传感器进行局部地图的避障，通过差分GPS定位系统确定机器人的绝对位置，可以实现一定范围内的自主导航。最后本项目搭建了可展轮式机器人的实验平台，介绍了其控制系统，针对草地、石子路、斜坡和台阶等典型地形进行了机器人的移动性能实验，并在室外复杂草地上验证了自适应控制算法的正确性，最后进行了机器人的避障试验，验证了避障算法的可行性。. 本项目可展轮式机器人关键技术的研究，可为机器人复杂地形的应用通过性提供一些参考。