吉林大学学报(工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (6): 1745-1755.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20180699

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轮腿式全地形移动机器人位姿闭环控制

马芳武1,2(),倪利伟1,2,吴量1,2(),聂家弘1,2,徐广健1,2   

  1. 1. 吉林大学 汽车工程学院, 长春 130022
    2. 吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室, 长春 130022
  • 收稿日期:2018-07-09 出版日期:2019-11-01 发布日期:2019-11-08
  • 通讯作者: 吴量 E-mail:mikema@jlu.edu.cn;jluniliwei@163.com
  • 作者简介:马芳武(1960-),男,教授,博士生导师.研究方向:智能化、轻量化、电动化车辆.E-mail:mikema@jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51705185);国家重点研发计划项目(2017YFC0601604)

Position and attitude closed loop control of wheelleggedall terrain mobile robot

Fang-wu MA1,2(),Li-wei NI1,2,Liang WU1,2(),Jia-hong NIE1,2,Guang-jian XU1,2   

  1. 1. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
    2. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China
  • Received:2018-07-09 Online:2019-11-01 Published:2019-11-08
  • Contact: Liang WU E-mail:mikema@jlu.edu.cn;jluniliwei@163.com

摘要:

轮腿机器人在越障及振动时,不可避免地会出现位姿(质心位置和俯仰、侧倾姿态)的变化。为实现对其位姿的控制,将汽车的多连杆悬挂系统应用到轮腿机器人设计当中,设计了一款新型轮腿式全地形移动机器人,降低复杂地面对轮腿机器人姿态的影响,保证轮腿机器人在复杂环境下自身姿态的稳定性。首先,建立了轮腿机器人的单腿运动学模型,并搭建了单腿试验台架,验证了模型的正确性。接着,针对轮腿机器人的位姿问题分别建立俯仰和侧倾模型,并对轮腿机器人的位姿进行解耦运算,在满足轮腿机器人各质心位置分量(xyz)不变的情况下实现其姿态的闭环控制。然后,采用比例控制(P控制)在Simulink中搭建轮腿机器人位姿控制策略。最后,在Adams中创建轮腿机器人虚拟样机,并建立适用于大外倾角的PAC轮胎模型,利用Simulink与Adams联合仿真验证轮腿机器人在立体坡面上的位姿控制效果,仿真结果表明,本文控制算法对轮腿机器人的质心位置和姿态均有很好的跟踪效果,可将质心位置误差、姿态误差分别控制在4.3%和5%以内,验证了本文控制算法的有效性。

关键词: 车辆工程, 轮腿机器人, 位姿模型, 控制算法, 联合仿真

Abstract:

When the wheel-legged robot is in the state of obstacle crossing, it is inevitable to change the attitude and position (centroid position and pitch and roll attitude). In order to control its position and attitude, the multi-link suspension system of automobile is adopted to design a new wheel-legged robot to ensure the stability in complex environment. Firstly, the single leg kinematics model of the wheel-legged robot is established, and a single leg test bench is built to verify the correctness of the model. Then, the pitching and rolling model is established for the position and attitude of the wheel-legged robot, and the position and attitude of the wheel-legged robot are decoupled. the closed-loop control of the robot is realized in the condition that the position components of the center (x, y, z) of the wheel-legged robot are constants. Then, the proportional control (P-control) is used to build the control strategy of the wheel-legged robot in Simulink. Finally, the virtual prototype of the wheel-legged robot is created in Adams, and the PAC tire model is built for the large outer angle, and the joint simulation model of Simulink and Adams is used to confirm the effectiveness of the control strategy on the three-dimensional slope. Simulation results show that the centroid position and attitude of the wheel-legged robot have good tracking effect, and the position error and attitude error are controlled within 4.3% and 5% respectively, so the effectiveness of the control strategy of the wheel-legged robot is verified.

Key words: vehicle engineering, wheel-legged robot, position and attitude model, control algorithm, joint simulation

中图分类号: 

  • U469.3

图1

轮腿式全地形机器人结构图"

图2

1/4台架模型"

图3

多连杆悬架等效为双横臂悬架俯视示意图"

图4

固定质心的机器人俯仰姿态示意图"

图5

四连杆模型"

图6

试验器材及台架"

表1

轮腿机器人单腿主要尺寸参数"

参 数数值
多连杆悬架长度/mm264
车轮半径/mm130
作动器工作长度L初始值/mm502
三角架DEC三条边长度/mm388/234/205
三脚架支点与作动器支点距离EF/mm370
等效双横臂悬架BG长度/mm200
机身厚度EG/mm300
弹簧阻尼BC长度/mm270
轮腿长度AW/mm400
多连杆夹角/(°)37.5

表2

理论分析与试验对比表"

分析类型序号

作动器工作

长度/mm

转角/(°)
试验1450103.501
2460101.085
347098.996
448096.096
549093.709
650090.711
751087.889
852084.524
953081.495
1054077.971
1155074.311
理论12参照式(8)

图7

理论数据与试验数据对比图"

图8

1/4机器人模型"

图9

机器人1/4动力学SIMULINK仿真模型"

表3

仿真参数"

参数符号数值单位
路面不平度G00.262m3
参考空间频率n00.1m-1
行驶速度v0.5m/s
频率指数W2.0-
弹簧弹性系数K220 000N/m
阻尼系数C1 000N·m/s
1/4整车簧上质量m240kg
1/4整车簧下质量m110kg
轮胎弹性系数K1180 000N/m

图10

悬架动行程仿真结果"

图11

斜面上俯仰姿态控制示意图"

图12

斜面上侧倾姿态控制"

图13

机体姿态投影图示意图"

图14

机体姿态投影简化图"

图15

轮腿机器人位姿控制框图"

图16

Simulink与Adams信息交互图"

图17

Simulink与Adams联合仿真模型"

表4

轮腿机器人结构参数"

参数数值参数数值
H/mm460L3/mm200
H1/mm75L4/mm230
H2/mm150L5/mm300
H3/mm400L6/mm200
L1/mm250L7/mm270
L2/mm370

表5

轮腿机器人位姿参数"

位姿位置参数姿态参数
x分量/mmy分量/mmz分量/mm横摆角/(°)俯仰角/(°)侧倾角/(°)
初始45000063
目标45000000

图18

轮腿机器人位姿调整过程"

图19

位姿跟踪结果"

表6

误差分析表"

跟踪误差参数误差值误差率/%
质心位置x分量/mm30.6
质心位置y分量/mm61.2
质心位置z分量/mm204.3
姿态俯仰角/(°)0.23
姿态横摆角/(°)0.062
姿态侧倾角/(°)0.155
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