輪式機(jī)器人控制技術(shù)研究

輪式機(jī)器人控制技術(shù)研究,輪式,機(jī)器人,控制,技術(shù)研究 國際雜志上 智能感知和智能化系統(tǒng)，第 2 卷，第 2，2009 年 6 月 以控制為中心的模擬器的機(jī)電一體化設(shè)計(jì) 案例研究： Gyroscopically 穩(wěn)定單輪機(jī)器人 朱震、A. Al-Mamun and Myint Phone Nain 通訊作者： A.馬蒙 (eleaam@nus.edu.sg) 電子與計(jì)算機(jī)工程系 新加坡民族大學(xué) 新加坡 117576 ? ? ? ? 抽象 — —為援助復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè)3 維仿真平臺是本文件提出的。它使用部件由e.g.,SolidWorks 三維繪圖軟件繪制的亞當(dāng)斯（機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析 軟件）繪制這一機(jī)制的動態(tài)行為的動畫模擬。這個(gè)綜合仿真平臺集成了三維模擬器ADAMS與 MATLAB軟件的控制程序仿真。這種集成使設(shè)計(jì)師可以采用以控制為中心的新穎設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種集成使設(shè)計(jì)師可以采用以控制為中心的方去設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用的復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。單輪機(jī)器人的動態(tài)分析作為本文的一個(gè)案例去說明他的用途。這個(gè)仿真環(huán)境可以被輕松地通過簡單的 alteringSolidWorks 圖紙擴(kuò)展到任何復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。 ? 關(guān)鍵詞 — — Gyrobot，亞當(dāng)斯，單輪機(jī)器人、 動態(tài)仿真 第一部分：導(dǎo)語 本文介紹了一個(gè)以控制為中心的用于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。在這種方法下，控制器的設(shè)計(jì)不被作為一個(gè)獨(dú)立問題，而是與機(jī)制設(shè)計(jì)交織在一起的。這兩個(gè)設(shè)計(jì)是被同時(shí)提出的。在本文，我們通過放置一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的虛擬原型來概述這兩個(gè)共存的設(shè)計(jì)的方法，這個(gè)機(jī)械系統(tǒng)是根據(jù)閉環(huán)控制，去分析這個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)行為并進(jìn)行微調(diào)的機(jī)械設(shè)計(jì)。 仿真在任何復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都很重要，因?yàn)檫@關(guān)乎著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和操作。傳統(tǒng)上，大多數(shù)模擬是基于計(jì)算機(jī)的，還要求數(shù)學(xué)建模。這種模型用于描述系統(tǒng)動力學(xué)和尋找其動態(tài)響應(yīng)。這種模型還用于預(yù)測在一組給定參數(shù)和初始條件下的系統(tǒng)行為。 開發(fā)3D運(yùn)動仿真的ADAMS與在控制界很流行的MATLAB/SIMULINK軟件結(jié)合在一起來建造一個(gè)以控制為中心的設(shè)計(jì)平臺。這種運(yùn)動模擬器使用了三個(gè)具有不同連接器參數(shù)的三維機(jī)械制圖合并成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)。這樣就消除了需要導(dǎo)出復(fù)數(shù)和非線性系統(tǒng)的動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型。這種模擬器曾經(jīng)被廣泛用于在開路控制和閉路控制中分析GYROBOT的動態(tài)行為。 亞當(dāng)斯 （自動動態(tài)分析的機(jī)械系統(tǒng)） 開始作為一般用途的項(xiàng)目去分析正在進(jìn)行大的非線性位移而形成非線性力和輸入的議案的系統(tǒng)。這種方法由尼古拉。奧爾蘭代亞開發(fā)。它可以被歸類為一個(gè)一般用途的數(shù)字代碼，利用統(tǒng)籌發(fā)展非最小集的運(yùn)動方程。此運(yùn)動仿真軟件分析復(fù)雜的行為辨識程序集，并因而使用戶能夠測試虛擬原型和優(yōu)化設(shè)計(jì)就建立許多物理原型。它使用僵硬集成商來解決這些方程和稀疏矩陣代數(shù)來解決其最內(nèi)層計(jì)算循環(huán)中的線性方程組。自成立以來，重大發(fā)展投資導(dǎo)致工業(yè)上復(fù)雜虛擬原型機(jī)制造工具的廣泛應(yīng)用。在最近發(fā)表的文章上報(bào)道了設(shè)計(jì)和開發(fā)的仿人機(jī)器人虛擬樣機(jī)技術(shù)的使用。 ADAMS允許用戶從 CAD 系統(tǒng)中導(dǎo)入幾何或生成一個(gè)實(shí)體模型的實(shí)現(xiàn)從頭做起。我們采用了第一種方法：用 SOLIDWORKS軟件制造 GYROBOT的不同部件。然后將這些部件轉(zhuǎn)移到ADAMS來制定最終模型。GYROBOT是一個(gè)車輪狀的自主汽車，這種設(shè)計(jì)的動機(jī)被植根于正在運(yùn)行的自行車和其優(yōu)秀的機(jī)動能力的穩(wěn)定。滾動輪有內(nèi)在的持續(xù)直立的傾向。如果這種輪是傾斜的而不是落在一邊，那么他就會導(dǎo)向傾斜的那一邊。GYROBOT 的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了轉(zhuǎn)動輪子的這些特征。綜合仿真平臺將簡化機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段。而且呢，他還可以讓學(xué)生和研究者更深刻地理解任何復(fù)雜的機(jī)械。ADAMS和 MATLAB的集成使得控制工程師完成設(shè)計(jì)周期而不生成任何原型。此外可以使用模擬結(jié)果也可以被用于對機(jī)械設(shè)計(jì)的微調(diào)。本文的結(jié)論包括：(i)用ADAMS軟件開環(huán)仿真的GYROBOT(ii) 閉環(huán)系統(tǒng)的仿真。這一綜合的系統(tǒng)，可以用于任何機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制中心的設(shè)計(jì)，只要通過簡單地替換GYROBOT任何復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D 繪圖。 第二節(jié)簡要地解釋GYROBOT的結(jié)構(gòu)和原則。在第三節(jié)中提出的HYROBOT的動態(tài)模擬說明了基本的操作原理。閉環(huán)模擬的結(jié)果刊載于第四部分。關(guān)鍵功能的開發(fā)系統(tǒng)和可能提高的領(lǐng)域在結(jié)語中突出顯示。 第二部分。GYROBOT：機(jī)械結(jié)構(gòu)和模型 GYROBOT設(shè)計(jì)的動機(jī)源于動態(tài)自行車出色的轉(zhuǎn)向能力和動態(tài)穩(wěn)定性。自主汽車及其轉(zhuǎn)向能力的特殊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以使用動態(tài)的滾動輪作為示例來解釋說明。滾動輪子的角動量防止了它掉落在一側(cè)。如果輪子被向一側(cè)傾斜，而不至于落到那一側(cè)去的現(xiàn)象是由于稱為陀螺儀的精度。使gyrobot傾斜的驅(qū)動來自于掀動重飛輪高速旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)。飛輪被設(shè)置在 GYROBOT的內(nèi)殼里，并且被懸掛于gyrobot 所使用的兩軸萬向節(jié)的軸上。飛輪大的角動量添加到動態(tài)穩(wěn)定性，并提供對態(tài)度擾亂的不敏感性。因此，即使固定式 gyrobot 可以直立。這種特殊結(jié)構(gòu)在很多方面比起常規(guī)多輪式自主車輛有著優(yōu)勢。由于電子零件時(shí)閉路的，gyrobot 是特別適合潮濕地區(qū)的。 其操作原理如示意圖1的解釋： 飛輪被懸浮在使用傾斜旋轉(zhuǎn)飛輪萬向節(jié)的gyrobot 的軌上。飛輪附加到內(nèi)部萬向節(jié)和紡成旋轉(zhuǎn)電機(jī)。被附加到外萬向支架的這個(gè)傾斜電機(jī)可以使內(nèi)部萬向節(jié)傾斜并使飛輪快速旋轉(zhuǎn)向任一側(cè)。通過這一平臺的GYROBOT的軌和這一平臺懸掛著萬向節(jié)和飛輪結(jié)構(gòu)。Gyrobot 的外殼是硬性加入到軌的。運(yùn)行著的電動機(jī)使輪子轉(zhuǎn)動 ；輪子的轉(zhuǎn)速可以通過控制驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。有興趣的讀者可參考 [4]-[6] 和許多其他引用中關(guān)于穩(wěn)定單輪機(jī)器人的操作的詳細(xì)信息。 Gyrobot 的模型圖在 SolidWorks 和實(shí)際的硬件中繪制的圖如 2 所示。圖示組件與實(shí)際每一組件同等大小和形狀。為了減少ADAMS模型圖的復(fù)雜性，只有機(jī)械部件包括在 SolidWorks 繪圖 ；這些都是 theouter 輪、 內(nèi)部萬向節(jié)、 外萬向節(jié)、 飛輪用其支撐結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)是 gyrobot 的足以反映出，稍后將被審查的物理屬性。質(zhì)量、密度和摩擦。亞當(dāng)斯/視圖中定義。(a) Solidworks 繪圖的 gyrobot (b) 內(nèi)部機(jī)械圖硬件2： 外部視圖和內(nèi)部機(jī)制的 gyrobot 。 ?第三部分：在亞當(dāng)斯動力學(xué)仿真 在本節(jié)中，我們給出仿真結(jié)果來說明的gyrobot基本操作。這些開環(huán)模擬使用亞當(dāng)斯只開始進(jìn)行。 亞當(dāng)斯A. gyrobot模型 通過引入3D圖紙?jiān)赟olidWorks創(chuàng)建了gyrobot亞當(dāng)斯模型parasolids file. Material, mass, density and friction are then defined. Mass and inertial are parasolids文件。材料，質(zhì)量，密度和摩擦進(jìn)行定義。質(zhì)量和慣性automatically calculated. Table I lists main dynamic characteristics of the robot components for the自動計(jì)算。表一列出的機(jī)器人組件主要的動態(tài)特性proposed ADAMS model.提出了亞當(dāng)斯模型。 gyrobot模型在亞當(dāng)斯環(huán)境需要幾個(gè)方面考慮，如重力，接觸constraints, friction, inertial properties and reference markers, which enable good approximation of約束，摩擦，慣性和參考標(biāo)記，使良好的逼近real robot behavior. Each joint of the mechanism is defined with a particular motion. For example,真正的機(jī)器人的行為。該機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動是與一個(gè)特定的定義。比如說呢。the driving joint is specified as a revolute joint so the rotation associated with this joint specifies the驅(qū)動關(guān)節(jié)被指定為一個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，本聯(lián)合相關(guān)旋轉(zhuǎn)指定rolling motion of the wheel車輪的滾動運(yùn)動。 B.仿真設(shè)置 適當(dāng)?shù)膭討B(tài)仿真的需要之間的接觸特性的近似地and wheel rim. The actual gyrobot rim is wrapped in aluminum foil and is tested on a horizontal和輪輞。實(shí)際gyrobot RIM鋁箔包裹，是在一個(gè)水平測試surface covered by aluminum plate. The friction coefficients chosen are 0.95 for the static condition表面覆蓋的鋁板。摩擦系數(shù)是0.95，靜態(tài)條件選擇and 0.8 for the dynamic condition, in agreement with。和0.8的動態(tài)條件下，在協(xié)議與之匹配。 亞當(dāng)斯/求解器做所有的計(jì)算所需要的模擬運(yùn)動。它允許不同類型of integrator for a particular problem. Detailed explanation on each integrator can be found in對于一個(gè)特定的問題積分器。在每個(gè)積分的詳細(xì)解釋，可以發(fā)現(xiàn)在ADAMS/Solver documents亞當(dāng)斯/求解器文件 積分設(shè)置，gstiff是大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)推薦的積分器。We use default integrator, formulation and corrector. One may use other integrator settings, based on我們使用默認(rèn)的積分器，制定和修正?？梢允褂闷渌姆e分設(shè)置，基于the simulation type (for models other than gyrobot) with clear understanding of integrator setting模擬式（其他比gyrobot模型）清楚理解積分器設(shè)定documents on ADAMS/Solver在亞當(dāng)斯/求解器文件。 有指定的模擬頻率，內(nèi)部頻率和步長。模擬頻率the frequency of updating the graphic display, whereas internal frequency is closely related to the更新圖形顯示的頻率，而內(nèi)部的頻率是密切相關(guān)的system under study. It represents the speed at which component states are changed. Internal frequency正在研究的系統(tǒng)。它代表了在該組件的狀態(tài)被改變的速度。內(nèi)部頻率is very important parameter in simulation setting and other solver settings must be set in accordance在仿真環(huán)境和其他求解器的設(shè)置非常重要的參數(shù)必須設(shè)置依據(jù)with the internal frequency與內(nèi)部頻率。 飛輪是整個(gè)結(jié)構(gòu)中移動最快的對象。如果飛輪頻率為Y程度per second (calculated based on its speed) and the desired motion of the flywheel in each step of每秒（基于其速度計(jì)算）和所需的運(yùn)動中的每一步的飛輪integration is θStep degree, then the optimal step size (Hmax) is obtained using集成度θ步驟，然后優(yōu)化步長（揚(yáng)程）。 C.開環(huán)仿真結(jié)果 動量守恒定律和陀螺進(jìn)動控制的gyrobot操作。Large angular momentum of the fast-spinning, heavy flywheel aids to overcome the external的快速旋轉(zhuǎn)的角動量大，重型飛輪克服外部disturbance such as tilting torque caused by gravity. According to conservation of angular momentum,如傾動力矩引起的重力擾動。根據(jù)角動量守恒，the higher the spin wheel velocity, the longer the robot should be able to stand by itself高自旋車輪速度，更長的機(jī)器人應(yīng)該能夠自己站起來。 我們驗(yàn)證了飛輪轉(zhuǎn)速對平衡輪通過模擬運(yùn)動的影響different flywheel speeds while keeping external forces, e.g., gravity unchanged. Simulations are不同的飛輪轉(zhuǎn)速的同時(shí)保持外部力量，如重力不變。模擬carried out with seven different flywheel speeds between 1000 rpm and 7000 rpm, the highest speed七種不同的飛輪轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)和7000轉(zhuǎn)之間進(jìn)行，最高速of the flywheel. For each flywheel speed, simulation is done for two conditions – (a) keeping gyrobot飛輪的。每個(gè)飛輪轉(zhuǎn)速，仿真是兩個(gè)條件–做（一）保持gyrobotstationary and (b) making it roll at a speed of 30 rpm. Results are summarized in Table II. It is clearly固定和（b）使它滾動的速度在每分鐘30轉(zhuǎn)。結(jié)果總結(jié)在表II。這顯然是evident that time elapsed before the fall of gyrobot increases with increasing flywheel speed, which顯然，時(shí)間隨飛輪轉(zhuǎn)速的增加而下降gyrobot，conforms to the conservation of angular momentum. When the wheel rolls, its angular momentum與角動量守恒。當(dāng)車輪，其角動量adds to the angular momentum of the flywheel aiding the balancing effort. It is observed that for增加了飛輪的角動量平衡的努力幫助。它是觀察到的identical flywheel speed, time elapsed before the fall is longer when gyrobot rolls.相同的轉(zhuǎn)速，過了秋天gyrobot卷時(shí)間較長時(shí)。 傾斜試驗(yàn)期間，gyrobot假設(shè)是站在平坦表面與飛輪旋轉(zhuǎn)300rpm. At 0.5 second, the flywheel is tilted from 0° to 23° in 0.5 second causing an average tilt velocity轉(zhuǎn)速。第二，飛輪是傾斜0°23°0.5秒造成平均傾斜速度of 46°/s. The results of this simulation are shown in Fig. 3. The plots show that while the flywheel is46°／s。本仿真結(jié)果示于圖3。該圖顯示，而飛輪tilted by 23°, the entire gyrobot is tilted by -57°. This conforms to the simulation and experimental23°傾斜，整個(gè)gyrobot傾斜57°。這符合仿真和實(shí)驗(yàn)results published in [8]-[9]. Leaning velocity and precession rate of the gyrobot are also plotted in the結(jié)果發(fā)表在[ 8 ] - [ 9 ]。學(xué)習(xí)的速度和gyrobot進(jìn)動率也繪制在same figure. The test is repeated by tilting the flywheel from 0° to -7° in 0.5 s. Again the results相同的圖。測試是通過傾斜的飛輪從0到0.5秒?！憬Y(jié)果再次重復(fù)7°shown in Fig. 4 are in conformity with the concept of gyroscopic precession圖4所示是在陀螺進(jìn)動的概念整合。 第四部分：仿真與閉環(huán)控制 本設(shè)計(jì)環(huán)境發(fā)展的動機(jī)是由需要控制為中心的方法mechatronics design. Incorporating the capability of simulating under closed loop control is essential.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。將模擬能力，在閉環(huán)控制是必不可少的。In this section, we present simulation results for closed loop control在本節(jié)中，我們提出了閉環(huán)控制的仿真結(jié)果。 A.亞當(dāng)斯控制器的實(shí)現(xiàn) 作為第一步，gyrobot放置的閉環(huán)控制下的控制器實(shí)現(xiàn)的亞當(dāng)斯。Our ultimate goal is an interface between ADAMS and MATLAB. Such interface would ensure that我們的最終目標(biāo)是亞當(dāng)斯與MATLAB之間的接口。這樣的接口將保證each software is used for the task it is appropriate for – ADAMS for 3D dynamic simulation of每個(gè)軟件的使用它的任務(wù)是適當(dāng)?shù)抹C亞當(dāng)斯的三維動態(tài)仿真mechanical structure and MATLAB for design of controller.設(shè)計(jì)的控制器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和MATLAB仿真。 仿真結(jié)果與PD（比例加微分）控制器中實(shí)現(xiàn)亞當(dāng)shown next. Controller used for these simulations was reported earlier in [6], which was designed下圖所示。用于這些模擬控制器報(bào)告[ 6 ]較早，而設(shè)計(jì)using a linear model of the gyrobot, obtained by linearizing system dynamics at its vertical position.使用的gyrobot線性模型，通過線性化的系統(tǒng)動力學(xué)在其垂直位置獲得。So the controller may not work well when the lean angle is large. The control law used for this因此控制器可能無法正常工作的傾斜角度大時(shí)。用于此控制法simulation is given next, where δβ = (β - 90°) is the change in lean angle from the vertical position,模擬了下，在δβ=（β- 90°）是從垂直位置的傾斜角的變化中i.e., β = 90°,例如，β= 90°。 B．中MATLAB SIMULINK實(shí)現(xiàn)控制器 亞當(dāng)斯是用于動態(tài)三維仿真，它的能力非常有限，為了實(shí)現(xiàn)controller. We created an interface between ADAMS and MATLAB/SIMULINK so that the控制器。我們創(chuàng)造了亞當(dāng)斯和Matlab / Simulink之間的界面，controller can be implemented using SIMULINK控制器可以實(shí)現(xiàn)使用Simulink。 閉環(huán)響應(yīng)控制器實(shí)現(xiàn)在Simulink。這些results are identical to those obtained with controller realized in ADAMS. Integrating ADAMS with結(jié)果是那些在亞當(dāng)斯獲得相同的控制器實(shí)現(xiàn)。亞當(dāng)斯與整合MATLAB let us exploit the better aspects of both. Now we are no longer restricted by the limitations讓我們利用MATLAB的更好的方面?，F(xiàn)在我們不再被限制of ADAMS in implementing controllers and we can experiment with more complex controller亞當(dāng)斯在實(shí)現(xiàn)控制器和我們可以嘗試更復(fù)雜的控制器structures including fuzzy logic control, sliding mode control etc.結(jié)構(gòu)包括模糊邏輯控制，滑?？刂频取? 第五部分：結(jié)語 gyrobot在ADAMS 環(huán)境中的動態(tài)仿真模擬已被成功開發(fā)。少量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了gyrobot的操作，也就是說角動量和陀螺游行的運(yùn)作原則有了法律保護(hù)。測試結(jié)果顯示虛擬原型的行為是根據(jù)兩項(xiàng)原則，因此，在亞當(dāng)斯的虛擬 gyrobotcreated 表示實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)?？刂破饕脖粚?shí)施以加強(qiáng)建設(shè)這種虛擬機(jī)器人的理由。這個(gè)虛擬原型現(xiàn)在可以用于各種調(diào)查，否則耗時(shí)或耗費(fèi)財(cái)力。使用的內(nèi)部控制模板提供由亞當(dāng)斯設(shè)計(jì)和實(shí)施閉環(huán)操作限制此虛擬系統(tǒng)的靈活性作為一個(gè)有效的工具。所以我們集成 ADAMS 和 MATLAB /SIMULINK 要利用它的力量。 引用： [1] N.奧爾蘭代亞、 發(fā)展和應(yīng)用面向稀疏度的節(jié)點(diǎn)類似方法 forsimulation 的機(jī)械動力系統(tǒng)、 博士論文，密歇根大學(xué)，安阿伯 MI、 美國，1973 [2] R.Rampalli，"亞當(dāng)斯 — — 使用稀疏矩陣方法解決多體動力學(xué)問題"，美國國家航空航天局講習(xí)班上多體仿真、 加州研究所的技術(shù)，美國，1987 [3] N.E.N.· 羅德里格斯，G.卡蓬和 M.Ceccarelli"設(shè)計(jì)和運(yùn)行 ofCALUMA 的仿真結(jié)果新的低成本仿人機(jī)器人"，Robotica，2008 年， 第 26 頁 601-618 ? 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文 文獻(xiàn)翻譯 題 目： 輪式機(jī)器人控制技術(shù)研究 專業(yè)名稱： 自動化 學(xué)生姓名： 張俊 班 級： 163002 學(xué) 號： 103614 指導(dǎo)教師： 邢超