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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
輪式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
以輪式機(jī)器人為研究對象，完成機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人的前進(jìn)、后退、
360度范圍轉(zhuǎn)動。
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1、開題報(bào)告 2 周
2、總體方案設(shè)計(jì) 3 周
3、零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 周
4、計(jì)算與強(qiáng)度校核 3 周
5、外文資料翻譯（不少于6000實(shí)詞） 1 周
6、畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 1 周
Ⅳ 、主 要參考資料：
[1].孫恒等主編.機(jī)械原理（第六版）.高等教育出版社，2001.
[2].馬香峰主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì).冶金工業(yè)出版社，1996.
[3].宗光華 張慧慧議.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制.科學(xué)出版社，2004.
[4].李志尊.UG NX CAD 基礎(chǔ)應(yīng)用與范例解析[M].機(jī)械工業(yè)出版,2004
[5]. Y.Fujimoto and A.Kawamura. Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation Walking
Robot Including Environmental Force Interaction. IEEE Robotic and
Automation Magzine,1988,5(2):33-42.
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航空工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化 專業(yè)類 0881054 班
學(xué)生（簽名）：
填寫日期： 2012 年 2 月 20 日
指導(dǎo)教師（簽名）：
助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：
系主任（簽名）：
附注:任務(wù)書應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書首頁。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 輪式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化
班 級 學(xué) 號 088105406
學(xué) 生 姓 名 鄧文文
指 導(dǎo) 教 師 許瑛
填 表 日 期 2012 年 3 月 10 日
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文—開題報(bào)告
1、 選題的依據(jù)及意義：
輪式移動機(jī)器人具有良好的穩(wěn)定性、較快的移動能力等優(yōu)點(diǎn)，在足球機(jī)器人比賽等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛,幾乎滲透到所有領(lǐng)域。移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支。早在60 年代,就已經(jīng)開始了關(guān)于移動機(jī)器人的研究。關(guān)于移動機(jī)器人的研究涉及許多方面,首先,要考慮移動方式,可以是輪式的、履帶式、腿式的,對于水下機(jī)器人,則是推進(jìn)器。其次,必須考慮驅(qū)動器的控制,以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三,必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃,對于后者,有更多的方面要考慮,如傳感融合,特征提取,避碰及環(huán)境映射。因此,移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。對移動機(jī)器人的研究,提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題,引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣,更由于它在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景,使得對它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
2.1 國外移動機(jī)器人的發(fā)展概況
2.1.1 室外幾種典型應(yīng)用移動機(jī)器人
美國國家科學(xué)委員會曾預(yù)言:“20 世紀(jì)的核心武器是坦克,21 世紀(jì)的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng),其中2000 年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊(duì),并走向戰(zhàn)場”。為此,從80年代開始,美國國防高級研究計(jì)劃局(DARPA) 專門立項(xiàng),制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此,在全世界掀開了全面研究室外移動機(jī)器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃中的自主地面車輛(ALV) 計(jì)劃(1983 —1990) ,能源部制訂的為期10 年的機(jī)器人和智能系統(tǒng)計(jì)劃(RIPS)(1986 —1995) ,以及后來的空間機(jī)器人計(jì)劃; 日本通產(chǎn)省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人計(jì)劃;歐洲尤里卡中的機(jī)器人計(jì)劃等。
初期的研究,主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理,并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對機(jī)器人的智能行為期望過高,導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果,但卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn),同時(shí),也推動了其它國家對移動機(jī)器人的研究與開發(fā)。進(jìn)入90年代,隨著技術(shù)的進(jìn)步,移動機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上,開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域,向?qū)嵱没M(jìn)軍(圖2-11a、b)。
（a） （b）
圖2-11 實(shí)用化機(jī)器人
由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機(jī)器人（圖2-11c）,是一個能提供對高移動性機(jī)器人運(yùn)動的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人。它與其他機(jī)器人,如NavLab ,不同之處是它于1994年在斯珀火山的火山口中進(jìn)行了成功的演示,雖然在返回時(shí),在一陡峭的、泥濘的路上,失去了穩(wěn)定性,倒向了一邊,但作為指定的探險(xiǎn)任務(wù)早己完成。其它機(jī)器人（圖2-11d）在整個運(yùn)動過程中,都需要人參與或支持。丹蒂計(jì)劃的主要目標(biāo)是為實(shí)現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的表面進(jìn)行探索而提供一種機(jī)器人解決方案。
（c） （d）
圖2-11 八足行走機(jī)器人
美國NASA研制的火星探測機(jī)器人索杰納（圖2-11e）1997年登上火星,這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。為了在火星上進(jìn)行長距離探險(xiǎn),又開始了新一代樣機(jī)的研制,命名為Rocky7(圖2-11f),并Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)。
（e） （f）
圖2-11 索杰納 圖2-11 Rocky7
德國研制了一種輪椅機(jī)器人（圖2-11g）, 并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場表演。該輪椅機(jī)器人在公共場所擁擠的、有大量乘客的環(huán)境中,進(jìn)行了超過36 個小時(shí)的考驗(yàn),所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人或移動機(jī)器人所不可比的。這種輪椅機(jī)器人是在一個商業(yè)輪椅的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。
（g）
圖2-11 輪椅機(jī)器人
國外還研制了一種獨(dú)輪機(jī)器人（圖2-11h、i）,它與具有靜態(tài)穩(wěn)定性的多輪移動機(jī)器人相比,具有很好的動態(tài)穩(wěn)定性,對姿態(tài)干擾的不敏感性,高可操作性,低的滾動阻力,跌倒的恢復(fù)能力和水陸兩用性。這是運(yùn)動性的一種新概念。
（h） （i）
圖2-11 獨(dú)輪機(jī)器人
2.1.2高完整性機(jī)器人
沒有一個系統(tǒng)可以做到100%可靠。一個可靠機(jī)器人是指它一直正常地工作。一個高完整性機(jī)器人(圖2-12)則時(shí)刻監(jiān)視自己的行為,一旦發(fā)現(xiàn)異常,立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因此,一個高完整性機(jī)器人并不一定要連續(xù)工作,但工作時(shí)，一定是正確的。
圖2-12 高完整性機(jī)器人
2.1.3 遙控移動機(jī)器人
對機(jī)器自主性的挑戰(zhàn)來自要求完成的任務(wù)和高度非結(jié)構(gòu)化和變化的環(huán)境。在大多數(shù)室外環(huán)境中,要求機(jī)器完全自主地完成任務(wù),目前還有一定的困難。遠(yuǎn)程操作的半自主機(jī)器人,毫無疑問,是一個發(fā)展方向。因此先進(jìn)的遠(yuǎn)程操作技術(shù)是將來必需的。完全遙現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作一個或幾個移動機(jī)器人的最佳可能方案,但太貴。研制一套適于遠(yuǎn)程操作的、使用起來既自然又容易的人機(jī)交互方案是必需的（圖2-13）。在未知和變化的環(huán)境中,頭部跟蹤系統(tǒng)有幫助,且是可行的。
圖2-13 遙控移動機(jī)器人
2.1.4 環(huán)境與移動機(jī)器人集成
H. Ishiguro 通過對以前機(jī)器人研究工作的回顧,發(fā)現(xiàn)過去智能機(jī)器人的工作主要集中在自主性上。因此,他提出了一個新概念:感知信息基礎(chǔ)設(shè)施。就象人需要道路、交通信號燈等一樣,機(jī)器人為了在一個動態(tài)變化的環(huán)境中行動,也同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施。作者將一個用于導(dǎo)航移動機(jī)器人的分布式視覺系統(tǒng)作為例子,進(jìn)行了解釋和說明。實(shí)驗(yàn)在一個縮小了1/ 12 的城鎮(zhèn)模型中進(jìn)行,內(nèi)有陰影,樹的結(jié)構(gòu),草地和房屋,足夠代表室外環(huán)境的真實(shí)情況,并安裝了用于機(jī)器人導(dǎo)航用的16 個攝像機(jī)智能體,實(shí)現(xiàn)了移動機(jī)器人與環(huán)境的融合（圖2-14a、b、c）。
（a） （b） (c)
圖2-14 集成機(jī)器人
2.2 國內(nèi)移動機(jī)器人研究概況
國內(nèi)在移動機(jī)器人的研究起步較晚,大多數(shù)研究尚處于某個單項(xiàng)研究階段,主要的研究工作有:
清華大學(xué)智能移動機(jī)器人（圖2-2a）于1994 年通過鑒定。涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究(準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃) ;基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究(基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制) ;路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動機(jī)器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬) ;傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù)) ;智能移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(智能移動機(jī)器人THMR —III 的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動駕駛）。
（a）
圖2-2 智能移動機(jī)器人
香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動化及制造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人（圖2-2b）。
（b）
圖2-2 自動導(dǎo)航機(jī)器人汽車
中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的AGV（圖2-2c）和防爆機(jī)機(jī)器人（圖2-2d）。
（c） （d）
圖2-2 AGV機(jī)器人 圖2-2 防爆機(jī)機(jī)器人
中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)（圖2-2e）。
（e）
圖2-2 全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)
哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996 年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等（圖2-2f）。
（f）
圖2-2 導(dǎo)游機(jī)器人
3、 研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是基于阿克曼原理的輪式移動機(jī)器人運(yùn)動模型而進(jìn)行的輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是為了實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、360°范圍轉(zhuǎn)動的輪式移動機(jī)器人。 課題主要完成輪式機(jī)器人機(jī)械方案設(shè)計(jì)，包括：驅(qū)動電機(jī)選擇、轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇及控制芯片的選擇;齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；前后減震系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。對輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行了分析，建立了不考慮滑行、剎車等的輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型。
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動電機(jī)的選擇
2.針對設(shè)計(jì)要求結(jié)合所選用的電機(jī)，討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性問題
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
1、通過圖書館、上網(wǎng)查找大量書籍及相關(guān)資料 2 周
2、總體機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)：運(yùn)動形式、驅(qū)動形式的選擇、 3 周
驅(qū)動電機(jī)的選擇、轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇的選擇
3、機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型的分析 3周
4、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、機(jī)械零件設(shè)計(jì)計(jì)算 3周
5、外文資料翻譯（不少于6000實(shí)詞） 2周
6、畢業(yè)論文整理及答辯準(zhǔn)備 2周
五、參考文獻(xiàn)
【1】、孫恒等主編.機(jī)械原理（第六版）.高等教育出版社，2001.
【2】、馬香峰主編.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì).冶金工業(yè)出版社，1996.
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10
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 輪式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別 航空工程系
專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化
班級學(xué)號 088105406
學(xué)生姓名 鄧文文
指導(dǎo)教師 許瑛
二O一二 年 五 月
輪式移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：鄧文文 班級：0881054
指導(dǎo)老師：許瑛
摘要：本文首先對機(jī)器人的國內(nèi)為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對機(jī)器人的整體方案進(jìn)行了分析，包括幾何尺寸、控制芯片的選擇。然后從機(jī)器人性能要求的角度出發(fā)，分別對機(jī)器人的運(yùn)動方式、模型結(jié)構(gòu)和車體成型方式做了比較，最終確定了非完整約束輪驅(qū)四輪式移動結(jié)構(gòu)模型——后輪同軸驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向的輪型機(jī)器人。
本文對移動機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的可行性分析及設(shè)計(jì)，并且做了相應(yīng)的計(jì)算、校核，主要包括：驅(qū)動輪電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇；齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核；前后減震系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。對輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行了分析，建立了不考慮滑行、剎車等的輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型。
最后，本文對所作研究和主要工作進(jìn)行了總結(jié)，并將設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，可控制性高，安全性高，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵字：輪式移動機(jī)器人 運(yùn)動學(xué)模型 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)老師簽名：
The structural design of the wheeled mobile robot
Student name: Deng Wenwen Class: 0881054
Supervisor: Xu Ying
Abstract: First in the paper for the domestic present situation of the development of the robot is presented, and according to the design requirements of the overall plan for robots are analyzed, including geometry size and control chip choice. Then from the Angle of robot performance requirements respectively, the robot mode of motion, model structure and body forming method are compared, final nonholonomic constraint four wheel drive wheeled mobile structure model, rear wheel drive coaxial, front wheel steering wheel robot.
In this paper, the mobile robot hardware structure of a detailed feasibility analysis and design, and make the corresponding calculation, checking, mainly including: the drive wheels motor and motor turning wheels choice; The design of gear calculate and check; Before and after the damping system and steering mechanism design and some of the mechanical structure design of the body. Wheeled mobile robots to the kinematic characteristics, the paper builds don't consider taxi, brake of the robot kinematics model.
Finally, this paper study and main work are summarized, and the wheel will design the structure of the robot joint debugging. The experimental results show that the system has stable performance, reliable, but controlling high, high safety, achieve the design design requirements.
Keywords: wheeled mobile robots kinematics model structure design
Signature of supervisor:
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文—外文譯文
1998年的IEEE
國際會議上機(jī)器人及自動化
Leuven ，比利時(shí)1998年5月
一種實(shí)用的辦法--帶拖車移動機(jī)器人的反饋控制
F. Lamiraux and J.P. Laumond
拉斯，法國國家科學(xué)研究中心
法國圖盧茲
{florent ,jpl}@laas.fr
摘 要
本文提出了一種有效的方法來控制帶拖車移動機(jī)器人。軌跡跟蹤和路徑跟蹤這兩個問題已經(jīng)得到解決。接下來的問題是解決迭代軌跡跟蹤。并且把擾動考慮到路徑跟蹤內(nèi)。移動機(jī)器人Hilare的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了我們方法的有效性。
1引言
過去的8年，人們對非完整系統(tǒng)的運(yùn)動控制做了大量的工作。布洛基[2]提出了關(guān)于這種系統(tǒng)的一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，配置的穩(wěn)定性，證明它不能由一個簡單的連續(xù)狀態(tài)反饋。作為替代辦法隨時(shí)間變化的反饋[10,4,11,13,14,15,18]或間斷反饋[3]也隨之被提出。從 [5] 移動機(jī)器人的運(yùn)動控制的一項(xiàng)調(diào)查可以看到。另一方面，非完整系統(tǒng)的軌跡跟蹤不符合布洛基的條件，從而使其這一個任務(wù)更為輕松。許多著作也已經(jīng)給出了移動機(jī)器人的特殊情況的這一問題[6,7,8,12,16]。
所有這些控制律都是工作在相同的假設(shè)下：系統(tǒng)的演變是完全已知和沒有擾動使得系統(tǒng)偏離其軌跡。很少有文章在處理移動機(jī)器人的控制時(shí)考慮到擾動的運(yùn)動學(xué)方程。但是[1]提出了一種有關(guān)穩(wěn)定汽車的配置，有效的矢量控制擾動領(lǐng)域，并且建立在迭代軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上。
存在的障礙使得達(dá)到規(guī)定路徑的任務(wù)變得更加困難，因此在執(zhí)行任務(wù)的任何動作之前都需要有一個路徑規(guī)劃。
在本文中，我們在迭代軌跡跟蹤的基礎(chǔ)上提出了一個健全的方案，使得帶拖車的機(jī)器人按照規(guī)定路徑行走。該軌跡計(jì)算由規(guī)劃的議案所描述[17] ，從而避免已經(jīng)提交了輸入的障礙物。在下面，我們將不會給出任何有關(guān)規(guī)劃的發(fā)展，我們提及這個參考的細(xì)節(jié)。而且，我們認(rèn)為，在某一特定軌跡的執(zhí)行屈服于擾動。我們選擇的這些擾動模型是非常簡單，非常一般。它存在一些共同點(diǎn)[1]。
本文安排如下：第2節(jié)介紹我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Hilare及其拖車：兩個連接系統(tǒng)將被視為（圖1） 。第3節(jié)處理控制方案及分析的穩(wěn)定性和魯棒性。在第4節(jié)，我們介紹本實(shí)驗(yàn)結(jié)果 。
圖1帶拖車的Hilare
2 系統(tǒng)描述
Hilare是一個有兩個驅(qū)動輪的移動機(jī)器人。拖車是被掛在這個機(jī)器人上的，確定了兩個不同的系統(tǒng)取決于連接設(shè)備：在系統(tǒng)A的拖車拴在機(jī)器人的車輪軸中心線上方（圖1 ，頂端），而對系統(tǒng)B是栓在機(jī)器人的車輪軸中心線的后面（圖1 ，底部)。 A對B來說是一種特殊情況，其中 = 0 。這個系統(tǒng)不過單從控制的角度來看，需要更多的復(fù)雜的計(jì)算。出于這個原因，我們分開處理掛接系統(tǒng)。兩個馬達(dá)能夠控制機(jī)器人的線速度和角速度（，)。除了這些速度之外，還由傳感器測量，而機(jī)器人和拖車之間的角度，由光學(xué)編碼器給出。機(jī)器人的位置和方向（,,）通過整合前的速度被計(jì)算。有了這些批注，控制系統(tǒng)B是：
（1）
3 全球控制方案
3.1目的
當(dāng)考慮到現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)，人們就必須要考慮到在運(yùn)動的執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的擾動。 這可能有許多的來源，像有缺陷的電機(jī)，輪子的滑動，慣性的影響... 這些擾動可以被設(shè)計(jì)通過增加一個周期在控制系統(tǒng)（1） ，得到一個新的系統(tǒng)的形式
在上式中可以是確定性或隨機(jī)變量。 在第一種情況下，擾動僅僅是由于系統(tǒng)演化的不規(guī)則，而在第二種情況下，它來自于該系統(tǒng)一個隨機(jī)行為。我們將看到后來，這第二個模型是一個更適合我們的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
為了引導(dǎo)機(jī)器人，從一開始就配置了目標(biāo)，許多工程認(rèn)為擾動最初只是機(jī)器人和目標(biāo)之間的距離，但演變的系統(tǒng)是完全眾所周知的。為了解決這個問題，他們設(shè)計(jì)了一個可輸入的時(shí)間-狀態(tài)函數(shù)，使目標(biāo)達(dá)到一個漸近穩(wěn)定平衡的閉環(huán)系統(tǒng)?，F(xiàn)在，如果我們介紹了先前定義周期在這個閉環(huán)系統(tǒng)，我們不知道將會發(fā)生什么。但是我們可以猜想，如果擾動很小、是確定的、在平衡點(diǎn)（如果仍然還有一個）將接近目標(biāo)，如果擾動是一個隨機(jī)變數(shù)，平衡點(diǎn)將成為一個平衡的子集。 但是，我們不知道這些新的平衡點(diǎn)或子集的位置。
此外，在處理障礙時(shí)，隨時(shí)間變化的方法不是很方便。他們只能使用在附近的目標(biāo)，這附近要適當(dāng)界定，以確保無碰撞軌跡的閉環(huán)系統(tǒng)。請注意連續(xù)狀態(tài)反饋不能適用于真實(shí)情況下的機(jī)器人，因?yàn)殚g斷的速度導(dǎo)致無限的加速度。
我們建議達(dá)成某一存在障礙特定配置的方法如下。我們首先在當(dāng)前的配置和使用自由的碰撞議案所描述[17]目標(biāo)之間建立一個自由的碰撞路徑，然后，我們以一個簡單的跟蹤控制率執(zhí)行軌跡。在運(yùn)動結(jié)束后，因?yàn)檫@一目標(biāo)的各種擾動機(jī)器人從來沒有完全達(dá)到和目標(biāo)的軌跡一致，而是這一目標(biāo)的左右。如果達(dá)到配置遠(yuǎn)離目標(biāo)，我們計(jì)算另一個我們之前已經(jīng)執(zhí)行過的一個軌跡。
現(xiàn)在我們將描述我們的軌跡跟蹤控制率，然后給出我們的全球迭代方法的魯棒性問題。
3.2軌跡跟蹤控制率
在這一節(jié)中，我們只處理系統(tǒng)A。對系統(tǒng)B容易計(jì)算（見第3.4節(jié)）。
圖2 單一機(jī)器人的跟蹤控制率
很多帶拖車輪式移動機(jī)器人的跟蹤控制律已經(jīng)被提出。其中[16]雖然很簡單,但是提供了杰出的成果。 如果是模擬機(jī)器人的坐標(biāo)構(gòu)成真實(shí)機(jī)器人（圖2），如果（）是輸入的參考軌跡，這種控制律表示如下：
（2）
我們控制律的關(guān)鍵想法如下：當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)，拖車不需要穩(wěn)定（見下文）。因此，我們對機(jī)器人使用公式（2）。 當(dāng)它后退時(shí)，我們定義一個虛擬的機(jī)器人（圖3）這是對稱的真實(shí)一對拖車的車輪軸：
然后，當(dāng)真正的機(jī)器人退后，虛擬機(jī)器人前進(jìn)和虛擬系統(tǒng)在運(yùn)動學(xué)上是等同于真正的一個。因此，我們對虛擬機(jī)器人實(shí)行跟蹤控制法（2）。
圖3 虛擬機(jī)器人
現(xiàn)在的問題是：當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，拖車是否真的穩(wěn)定？下一節(jié)將回答這個問題。
3.3 拖車穩(wěn)定性分析
在這里我們考慮的向前運(yùn)動情況下,虛擬機(jī)器人向后的運(yùn)動被等值轉(zhuǎn)變。讓我們把坐標(biāo)作為參考軌跡并且把坐標(biāo)作為實(shí)際運(yùn)動的系統(tǒng)。我們假設(shè)機(jī)器人完全跟隨其參考軌跡：并且我們把我們的注意力放在拖車偏差 。這一偏差的變化很容易從系統(tǒng)（1）推導(dǎo)出（系統(tǒng)A） ：
盡管是減少的
（3）
我們的系統(tǒng)而且被不等量限制了
（4）
因此和式（3）等價(jià)于
（5）
圖4顯示的范圍隨著給定的的值正在減少。我們可以看到，這個范圍包含了拖車的所有的位置，包括式（4）所界定的范圍。此外，以前的計(jì)算許可輕松地表明對于變量，0是一個漸近穩(wěn)定值的變量。
因此，如果實(shí)際或虛擬的機(jī)器人按照它的參考軌跡前進(jìn)，拖車是穩(wěn)定的，并且將趨于自己的參考軌跡。
圖4 的穩(wěn)定范圍
3.4虛擬機(jī)器人系統(tǒng)B
當(dāng)拖車掛在機(jī)器人的后面，之前的結(jié)構(gòu)甚至更簡單：我們可以用拖車取代虛擬的機(jī)器人。在這種實(shí)際情況下，機(jī)器人的速度和拖車一對一映射的連接。然后虛擬的機(jī)器人系統(tǒng)表示為如下：
和以前的穩(wěn)定性分析可以被很好的使用通過考慮懸掛點(diǎn)的運(yùn)動。
下面一節(jié)討論了我們迭代計(jì)劃的魯棒性。
3.5迭代計(jì)劃的魯棒性
我們現(xiàn)在正在顯示上文所提到的迭代計(jì)劃的魯棒性。為此，我們需要有一個當(dāng)機(jī)器人的運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生擾動的模型。 [1]擾動的模型系統(tǒng)是一個不規(guī)則，從而導(dǎo)致矢量場確定性的變化。在我們的實(shí)驗(yàn)中，我們要看到由于隨機(jī)擾動導(dǎo)致的例如在一些懸掛系統(tǒng)中發(fā)揮作用。這些擾動對模型是非常困難的。出于這個原因， 我們只有兩個簡單的假說有：
其中s是沿曲線橫坐標(biāo)設(shè)計(jì)路徑，和分別是真正的和參考的結(jié)構(gòu)，是結(jié)構(gòu)空間系統(tǒng)的距離并且，是正數(shù)。 第一個不等量意味著實(shí)際和參考結(jié)構(gòu)之間的距離成正比的距離覆蓋計(jì)劃路徑。第二個不等量是確保軌跡跟蹤控制率，防止系統(tǒng)走得太遠(yuǎn)遠(yuǎn)離其參考軌跡。讓我們指出，這些假設(shè)是非?，F(xiàn)實(shí)的和適合大量的擾動模型。
我們現(xiàn)在需要知道在每個迭代路徑的長度。我們使用指導(dǎo)的方法計(jì)算這些路徑驗(yàn)證拓?fù)涠虝r(shí)間的可控性[17]。這個也就是說，如果我們的目標(biāo)是充分接近起初的結(jié)構(gòu)，軌跡的計(jì)算依然是起初的結(jié)構(gòu)的附近。在[9] 我們給出的估算方面的距離：如果 和是兩種不夠緊密的結(jié)構(gòu)，規(guī)劃路徑的長度驗(yàn)證它們之間的關(guān)系
這里是一個正數(shù)。
因此，如果 是配置依次獲得的，我們有以下不等式：
這些不等式確保distCS是上界序列的正數(shù)
和趨近于足夠反復(fù)后的。
因此，我們沒有獲得漸近穩(wěn)定性配置的目標(biāo)，但這一結(jié)果確保存在一個穩(wěn)定的范圍處理這個配置。 這一結(jié)果基本上是來自我們選擇非常傳統(tǒng)擾動的模型。讓我們重復(fù)這包括諸如擾動模型的時(shí)間不同的控制律無疑將使其失去其漸近穩(wěn)定。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下節(jié)顯示，收斂域的控制計(jì)劃是非常小的。
4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
現(xiàn)在，我們目前獲得的帶拖車機(jī)器人Hilare系統(tǒng)A和B的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖5和圖6顯示第一路徑計(jì)算的例子所規(guī)劃初始配置（黑色）和目標(biāo)配置（灰色）之間的運(yùn)動。在第二種情況下包括上一次計(jì)算結(jié)果。連接系統(tǒng)的長度如下：系統(tǒng)A中，厘米，系統(tǒng)B厘米，厘米。表1和表2提供的初始和最后配置位置以及目標(biāo)和期望配置在第一次動作和第二次動作之間的不足，3個不同的實(shí)驗(yàn)。在這兩種情況下，第一次試驗(yàn)相當(dāng)于圖表。意味著，在第一動作后精度十分充足，沒有更多可進(jìn)行的動作。
評論和意見：表1和表2的報(bào)告結(jié)果顯示了兩個主要的見解。首先， 系統(tǒng)達(dá)成非常令人滿意的精密程度，其次迭代次數(shù)是非常小的（介于1和2之間）。事實(shí)上，精密程度取決于很多的速度和不同的動作。在這里，機(jī)器人的最大線速度是50厘米/秒 。
5結(jié)論
我們已經(jīng)提出了一種方法來控制機(jī)器人與拖車從初始結(jié)構(gòu)到一個已知輸入問題的目標(biāo)。這種方法是以迭代于開環(huán)和閉環(huán)控制相結(jié)合為前提的辦法。它對大范圍的擾動模型已經(jīng)顯示出健全的一面。這個魯棒性主要來自拓?fù)湫阅苤笇?dǎo)方法介紹[17] 。即使該方法不完全趨于機(jī)器人的最終目標(biāo)，但是在真正實(shí)驗(yàn)期間達(dá)到的精度程度是非常令人滿意的。
13
圖5：系統(tǒng)A：初始、目標(biāo)配置跟蹤第一路徑 圖6：系統(tǒng)B：初始、目標(biāo)配置跟蹤第一路徑和最終結(jié)果
表1：系統(tǒng)A：目標(biāo)和期望配置在第一次動 表2：系統(tǒng)B：目標(biāo)和期望配置在第一次動
作和第二次動作之間的差距 作和第二次動作之間的差距
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