风管清扫机器人运动学分析及轨迹跟踪控制方法研究

• 作 者: 吴宝强
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 风管清扫机器人 运动学建模 轨迹跟踪 PID控制 自适应控制 鲁棒控制 神经网络

中央空调越来越多的进入我们生活、工作等各种公共环境。常年运行的中央空调，管道内沉积各种有害物质，随气流一起进入室内，严重影响室内环境。中央空调定期清扫，成为一项必要的工作。但中央空调通风管道纵横交错,管路复杂，实行人工管道检测、清扫不仅费时费力、效率低下、易造成二次污染，而且存在安全隐患。因此研究开发风管清扫机器人完成管道清扫任务具有迫切的现实意义和重要的实用推广价值。精确的风管清扫机器人建模分析和轨迹跟踪控制是保证其在风管内部高效、快速、自主清扫的前提条件，本文将针对复杂工作环境下的风管清扫机器人，建立精确运动学模型，并研究该机器人的轨迹跟踪控制方法，得到相应的解决方案。在介绍了所设计的风管清扫机器人主体结构、工作环境，对机器人轨迹跟踪问题进行了分析的基础上，针对复杂管道环境下的风管清扫机器人，论文首先进行了运动学建模。建模过程中，通过实时测量地形变化引起的机器人底盘姿态角度的变化，并将该姿态角度作为输入量整合到机器人运动学模型中，得到地形环境和机器人共同作用下的末端位姿，从而建立了一个融合复杂地形影响的机器人整体运动学模型。然后，在考虑毛刷柔性和摩擦力不确定情况下，对机器人进行了整体动力学模型分析。在建立了精确的运动学和动力学模型之后，论文研究了多种风管清扫机器人轨迹跟踪控制方法，包括PID轨迹跟踪控制、基于BP神经网络的PID轨迹跟踪控制；RBF神经网络自适应轨迹跟踪控制；鲁棒控制、改进的鲁棒控制、鲁棒神经网络控制等。最后，数据验证了风管清扫机器人运动学模型的准确性，仿真实验表明了所设计的轨迹跟踪控制方法的可行性。