基于动力学滑模控制的温室移动机器人转弯控制研究

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随着科技和社会经济的发展,农业自动化程度越来越高,温室已成为现代农业中的重要组成部分。由于温室环境密闭,使得在温室中喷洒农药易残留不易挥发,工作人员极易发生中毒的风险,用机器人代替人类进行温室喷药不但能有效减少人员伤害,而且能实现精准施药,提高农药的利用率。为实现温室喷药移动机器人的自主作业,有必要研究温室喷药移动机器人的运动控制问题。本文着重开展四轮独立驱动温室喷药移动机器人的转弯控制研究。  在温室狭窄的环境中,由于地面潮湿,且凹凸不平,对于处于一定速度下的四轮独立驱动移动机器人在转向行驶时极易出现动力学不稳定的状态,造成四轮独立转向移动机器人的受控性降低,出现转向不足或转向过度,从而导致机器人侧滑失控,以致毁坏温室植物和机器人本身,造成严重损失。为此,本文针对四轮独立驱动移动机器人在温室环境下的转弯控制问题,提出一种基于滑模控制理论的动力学滑模控制方法。本文主要研究内容如下:  1.针对温室喷药移动机器人转弯控制问题,首先建立了以质心侧偏角和横摆角速度为状态变量的四轮独立转向动力学模型,运用直接横摆力矩控制方法,基于滑模变结构控制理论,设计以质心侧偏角和横摆角速度为控制系统状态变量的指数趋近律动力学滑模控制策略,以使移动机器人质心侧偏角控制在稳定范围内,且其横摆角速度能够很好地跟踪移动机器人期望运动轨迹。通过基于Matlab/Simulink进行转向行驶仿真试验结果表明,与前馈反馈控制方法相比,基于所建立动力学模型所设计滑模控制策略有效改善了移动机器人转弯控制的稳定性。  2.设计了基于超声波测距的紧急避障系统,根据不同的温室作业环境可以设置不同的安全距离,当超声波测到离障碍物的距离小于安全距离时可让机器人紧急停止以防止机器人损坏农作物,造成损失。试验表明,所设计紧急避障系统,能较好地满足温室喷药移动机器人对避障的稳定性、快速性要求。  3.以实验室改装的四轮独立驱动温室移动机器人系统为试验平台,在Visual Studio6.0开发环境中基于C++语言完成了温室移动机器人运动控制系统软件设计,着重介绍了其运动控制模块与避障模块。最终将本文设计的滑模运动控制算法实际应用于温室环境进行了转弯控制试验,试验结果验证了本文提出的运动控制算法对提高温室移动机器人转弯运动稳定性的有效性。另外,在实验室完成了对于基于超声波的紧急避障试验,试验结果表明本课题的超声波避障系统能够实现安全避障控制。
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