基于麦克纳姆履带陆空结合环境探索系统--学术论文.docx
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1、附件2:编号: 第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书 作品名称:陆空结合环境探索系统 学院名称:机电工程学院 申报者姓名 (集体名称):基电工程 类别: 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技发明制作A类科技发明制作B类基于麦克纳姆履带陆空结合探测系统摘要本文设计陆空结合履带车,车体基于麦克纳姆轮带,在传统麦克纳姆轮360度运动上履带可克服复杂地形,而相较于传统火星车,陆空结合设计将飞机代替摄像头,平时收在履带车内,摄像头露出与传统火星车无区别,但当需要侦查周遭环境可陆空结合实时侦测周围,可应用于人类无法进入的恶劣环境工作采样观察,而且可在第一时间空
2、投抗灾地区为被困灾民提供支援。经多次物理模拟此方案确实可行,目前正在制作样机,因技术工艺较为复杂,履带仍需要时间加工制作。关键词:麦克纳姆轮 飞行器 空间探索 陆空结合一, 设计任务以传统火星车探索机器人“好奇号”为基础,将传统履带与麦克纳姆轮进行结合,实现在克服复杂地形的同时达到增加横向自由度的目的。使车的灵活性大大增加,减少车的操作难度。并且通过四旋翼进行空中监测,相较于传统火星车大大增加了车身的可利用空间,而飞行器也增大观察的灵活度。1.1应用对象星际探索,核泄漏等人类无法适应的困难环境进行实验作业。在抗震救灾中能第一时间投放灾区并向被困灾民运送物资或搬运工作。1.2论文灵感当看到麦克纳
3、姆轮能横着走的时候非常的好奇,而且本身也对外形探索拥有浓厚的兴趣,于是经过大量计算设计了这款麦克纳姆履带。本论文作品以麦克纳母履带为基本思路,在增加横向移动的基础上改良的麦克纳母轮无法适应复杂地形的缺点,并且通过空中无人机监控周围环境。1.3作品的科学性、先进性及独特之处相较于传统移动设备和加工设备其自由度和活动范围往往因为结构的缺点而受到限制,因为通过履带和麦克纳母轮的结合克服了复杂地形以及无法横向移动的困难。而通过轮子和机械手臂的结合改变了机械加工范围受限以及搬运困难的难题。而空中摄像头则大大改善了传统将摄像头安装在机构上视野受限以及阻碍其他机构运动的问题。本文将通过履带车,飞行器两个模块
4、进行说明。二, 履带车模块2.1履带车2.1.1好奇号(谨以此模块对NASA科学家表达敬意)好奇号,这个代表全世界好奇之心的小东西,有着自己的大脑、眼睛、身体、手臂和腿脚。我身长约3.0m,宽约2.7m,高约2.1m,大小和一辆小型SUV汽车相当。和他的兄弟勇气号和机遇号相比,好奇号重多了,达到850900kg。好奇号运行的计算机系统内存为256Mbyte,闪存为2Gbyte。好奇号有10只眼睛。我这些凝聚了智慧的火眼金睛,像孙悟空的眼睛一样,能洞察瞬息变化的世间万物。好奇号的的头上、身上、手臂上都长着眼睛,能让他从各个方向、各个角度对这片红色热土进行探索。好奇号虽然只有1只手臂,但是这只手臂
5、非常灵活。它的手臂有3个关节:肩、肘和手腕。好奇号的手臂能够像人类的手臂那样伸展、弯曲和定位,可以拍摄照片、打磨岩石、分析岩石和土壤的组成,能干许许多多的活。好奇号有6条腿。和人类的腿不一样,它的6条腿是6个车轮。好奇号的2条前腿和2条后腿能够独立转向。我还能够在原地转弯360,翻越约6575cm。2.1.2履带车差速控制(基于模糊运算)履带车辆具有良好的机动性和越野性,因此,被广泛应用于民用和军用等领域。电传动履带车一般采用电池和双交流电机驱动,通过分配两侧电机转速或转矩实现对车辆两侧驱动力的协调控制,从而达到直线行驶或转弯目的。永磁同步电机相对于传统交流电机具有高效、高功率密度以及良好的调
6、速性能,正逐渐成为新能源车辆领域驱动电机的首选之一。其在电传动履带驱动领域已经得到了广泛的应用。相比普通机械车辆,由于采用双电机分别驱动两侧主动轮的电传动履带车取消了转向和变速机构,可通过实时控制两侧电机的转速或转矩输出实现直线行走或转弯。为此需要设计差速控制,一般来说可以通过整车控制器实现电子差速控制功能。整车控制器通过总线技术和电机控制器进行交互通讯,电机控制器实现差速设定值的自调整控制,实现电机驱动系统进行动力分配。电传动履带车辆通过整车控制器协调控制两侧驱动电机的转速或转矩,实现任意转向,提高车辆转向稳定性 7-10 。电子差速转向控制是电传动履带车辆的关键技术之一,特别是驱动电机的控
7、制特性直接影响差速转向性能。电子差速算法是基于采样标定值、智能控制理论等设计相应的控制策略,控制左右2个驱动电机转速或转矩,从而实现电动汽车差速转向。本模块介绍的履带车模块运算已经在ican创新创业大赛的作品上进行了应用,并且已经证明切实可行。1,整车控制器设计此图为差速控制系统结构图电传动履带车每个电机有单独的控制器,整车电子差速控制器通过接收无人驾驶车主控单元给定的车辆速度和转角以及来自传感器的反馈等信号,根据内部控制单元计算每个电机需要提供的转速,并向电机控制器发出指令,调节电机的转速,从而控制各个驱动车轮的转速。整车控制器就是汽车上动力总成控制器,它是整个汽车的核心控制部件。整车控制器
8、主要功能是通过采集车速信号 v 、驾驶转角信号后,计算出输出信号1和2,也就是电机的期望输入信号。本模块的控制策略如下:首先整车控制器根据输入 v和驾驶转角信号。通过下面的模糊建模离线标定出输出模糊模型,然后在线采集在线实时计算出左右电机的期望输入,通过 CAN 总线传递给电机控制器。接下来电机控制器用矢量控制算法调整电机的输出,从而达到电机的期望输入。3 标定整车控制器的差速模糊模型本模块大多数为手稿计算,且很多符号本人无法输出,故上传文稿,给您带来不便十分抱歉。然后采用加权平均反模糊化可得到下面的模糊模型。其中,参数向量的取值为结论变量模糊集对应隶属函数值取得最大值时所对应的点 。 同理,
9、也可以得到右电机的期望转速模糊模型。通过上面的离线标定模糊模型后,整车控制器上电后可直接运行该模型。通过实时检测到的参数向量和 v 值在线实时计算电机的期望转速w1和w2差速系统控制系统结构图,4交流电机矢量控制矢量控制是当前工业系统变频系统应用的主流,它是通过分析电机数学模型对电压、电流等变量进行解耦而实现的。转矩方程表明,如果 d 轴励磁电流分量恒定,则永磁同步电机转矩与 q 轴转矩电流分量成正比,这也是矢量控制的基本控制思路。永磁同步电机矢量控制可以采用电压法实现2.2麦克纳姆履带在竞赛机器人和特殊工种机器人中,全向移动经常是一个必需的功能。全向移动意味着可以在平面内做出任意方向平移同时
10、自转的动作。为了实现全向移动,一般机器人会使用全向轮(Omni Wheel)或麦克纳姆轮(Mecanum Wheel)这两种特殊轮子。作者在去年的ican创新大赛中第一次看到了麦轮,并产生了浓厚的兴趣。2.2.1工作原理其实麦克纳姆履带和麦克纳姆轮工作原理相同,只是通过履带达到克服复杂地形的能力。轮毂和辊子(roller)。轮毂是整个轮子的主体支架,辊子则是安装在轮毂上的鼓状物。全向轮的轮毂轴与辊子转轴相互垂直,而麦克纳姆轮的轮毂轴与辊子转轴呈 45 角。理论上,这个夹角可以是任意值,根据不同的夹角可以制作出不同的轮子,但最常用的还是这两种。全向轮与麦克纳姆轮(以下简称麦轮)在结构、力学特性、
11、运动学特性上都有差异,其本质原因是轮毂轴与辊子转轴的角度不同。经过分析,二者的运动学和力学特性区别可以通过以下表格来体现。计算过程如下,供参考。近年来,麦轮的应用逐渐增多,特别是在 Robocon、FRC 等机器人赛事上。这是因为麦克纳姆轮可以像传统轮子一样,安装在相互平行的轴上。而若想使用全向轮完成类似的功能,几个轮毂轴之间的角度就必须是 60,90 或 120 等角度,这样的角度生产和制造起来比较麻烦。所以许多工业全向移动平台都是使用麦克纳姆轮而不是全向轮。2.2.2安装麦轮一般是四个一组使用,两个左旋轮,两个右旋轮。左旋轮和右旋轮呈手性对称,安装方式有多种,主要分为:X-正方形(X-sq
12、uare)、X-长方形(X-rectangle)、O-正方形(O-square)、O-长方形(O-rectangle)。其中 X 和 O 表示的是与四个轮子地面接触的辊子所形成的图形;正方形与长方形指的是四个轮子与地面接触点所围成的形状。 X-正方形:轮子转动产生的力矩会经过同一个点,所以 yaw 轴无法主动旋转,也无法主动保持 yaw 轴的角度。一般几乎不会使用这种安装方式。 X-长方形:轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩,但转动力矩的力臂一般会比较短。这种安装方式也不多见。 O-正方形:四个轮子位于正方形的四个顶点,平移和旋转都没有任何问题。受限于机器人底盘的形状、尺寸等因素,这种安装方
13、式虽然理想,但可遇而不可求。 O-长方形:轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩,而且转动力矩的力臂也比较长。是最常见的安装方式。2.2.3麦轮底盘的正逆运动学模型以O-长方形的安装方式为例,四个轮子的着地点形成一个矩形。正运动学模型(forward kinematic model)将得到一系列公式,让我们可以通过四个轮子的速度,计算出底盘的运动状态;而逆运动学模型(inverse kinematic model)得到的公式则是可以根据底盘的运动状态解算出四个轮子的速度。需要注意的是,底盘的运动可以用三个独立变量来描述:X轴平动、Y轴平动、yaw 轴自转;而四个麦轮的速度也是由四个独立的电机提供
14、的。所以四个麦轮的合理速度是存在某种约束关系的,逆运动学可以得到唯一解,而正运动学中不符合这个约束关系的方程将无解。先试图构建逆运动学模型,由于麦轮底盘的数学模型比较复杂,我们在此分四步进行:将底盘的运动分解为三个独立变量来描述;根据第一步的结果,计算出每个轮子轴心位置的速度;根据第二步的结果,计算出每个轮子与地面接触的辊子的速度;根据第三部的结果,计算出轮子的真实转速。一、底盘运动的分解我们知道,刚体在平面内的运动可以分解为三个独立分量:X轴平动、Y轴平动、yaw 轴自转。如下图所示,底盘的运动也可以分解为三个量:表示 X 轴运动的速度,即左右方向,定义向右为正;表示 Y 轴运动的速度,即前
15、后方向,定义向前为正;表示 yaw 轴自转的角速度,定义逆时针为正。以上三个量一般都视为四个轮子的几何中心(矩形的对角线交点)的速度。二、计算出轮子轴心位置的速度定义:为从几何中心指向轮子轴心的矢量;为轮子轴心的运动速度矢量;为轮子轴心沿垂直于的方向(即切线方向)的速度分量;那么可以计算出:分别计算 X、Y 轴的分量为:同理可以算出其他三个轮子轴心的速度。三、计算辊子的速度根据轮子轴心的速度,可以分解出沿辊子方向的速度和垂直于辊子方向的速度。其中是可以无视的(思考题:为什么垂直方向的速度可以无视?),而其中是沿辊子方向的单位矢量。四、计算轮子的速度从辊子速度到轮子转速的计算比较简单:根据上图所
16、示的和的定义,有结合以上四个步骤,可以根据底盘运动状态解算出四个轮子的转速:以上方程组就是O-长方形麦轮底盘的逆运动学模型,而正运动学模型可以直接根据逆运动学模型中的三个方程解出来,此处不再赘述。2.2.3控制程序根据麦轮的底盘的运动学模型,要完全控制它的运动,需要有三个控制量:X轴速度、Y轴速度、自转角速度。要产生这三个控制量,有很多种方法,本文将使用一个 USB 游戏手柄,左边的摇杆产生平移速度,右边的摇杆产生角速度。首先将一个USB Host 模块连接到Orion 主板的 3 口。然后插上一个无线 USB 游戏手柄。然后再添加其他细节,就大功告成啦!其他细节:#include #incl
17、ude #include MeOrion.hMeUSBHost joypad(PORT_3);/手柄代码(红灯亮模式)/默认:128-127-128-127-15-0-0-128/左一:128-127-128-127-15-1-0-128/右一:128-127-128-127-15-2-0-128/左二:128-127-128-127-15-4-0-128/右二:128-127-128-127-15-8-0-128/三角:128-127-128-127-31-0-0-128 (0001 1111)/方形:128-127-128-127-143-0-0-128 (1000 1111)/叉号:12
18、8-127-128-127-79-0-0-128 (0100 1111)/圆圈:128-127-128-127-47-0-0-128 (0010 1111)/向上:128-127-128-127-0-0-0-128 (0000 0000)/向下:128-127-128-127-4-0-0-128 (0000 0100)/向左:128-127-128-127-6-0-0-128 (0000 0110)/向右:128-127-128-127-2-0-0-128 (0000 0010)/左上:128-127-128-127-7-0-0-128 (0000 0111)/左下:128-127-128-1
19、27-5-0-0-128 (0000 0101)/右上:128-127-128-127-1-0-0-128 (0000 0001)/右下:128-127-128-127-3-0-0-128 (0000 0011)/选择:128-127-128-127-15-16-0-128/开始:128-127-128-127-15-32-0-128/摇杆:右X-右Y-左X-左Y-15-0-0-128MeEncoderMotor motor1(0x02, SLOT2);MeEncoderMotor motor2(0x02, SLOT1);MeEncoderMotor motor3(0x0A, SLOT2);M
20、eEncoderMotor motor4(0x0A, SLOT1);/ 底盘:a = 130mm, b = 120mmfloat linearSpeed = 100;float angularSpeed = 100;float maxLinearSpeed = 200;float maxAngularSpeed = 200;float minLinearSpeed = 30;float minAngularSpeed = 30;void setup() / 要上电才能工作,不能只是插上 USB 线来调试。motor1.begin();motor2.begin();motor3.begin();
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