華北電力大學(xué)打造自適應(yīng)懸掛四輪移動機(jī)器人 復(fù)雜地形穩(wěn)定性出色
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目前 ， 移動機(jī)器人在不同驅(qū)動環(huán)境和性能要求下 ， 展現(xiàn)出了多樣化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。 主流移動機(jī)器人包括輪式、履帶式、足式以及混合式幾大類 ， 但輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單 ， 運(yùn)行速度快、操作效率高 ， 負(fù)載大 ， 且整體制造成本更低 ， 因而受到市場更多關(guān)注 。 不過傳統(tǒng)輪式機(jī)器人在復(fù)雜地形下底盤姿態(tài)不夠穩(wěn)定 ， 一定程度上影響了機(jī)器人行駛能力 。
近日 ， 華北電力大學(xué)控制與工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在《Field Robotics》期刊上發(fā)表了一篇最新研究成果 。 該論文標(biāo)題為《Four-Wheeled Mobile Robot With Flexible Posture Control》 ， 團(tuán)隊(duì)提出了一種配備自適應(yīng)懸掛系統(tǒng)的四輪移動機(jī)器人 ， 能夠有效解決機(jī)器人在復(fù)雜地形下行駛時(shí)的穩(wěn)定性問題 。 該研究的核心在于研究團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向了懸掛系統(tǒng) 。
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傳統(tǒng)的民用車輛大多采用被動式機(jī)械彈簧阻尼減震器 ， 動態(tài)性能表現(xiàn)并不理想 。 近幾年主動懸掛系統(tǒng)在提高車輛行駛平順性方面展現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢 ， 但龐大的伺服液壓系統(tǒng)并不適用于小型移動機(jī)器人 。 因此如何研發(fā)一款小型移動機(jī)器人適配的自適應(yīng)懸掛系統(tǒng) ， 提高小型移動機(jī)器人在復(fù)雜地形下的行駛穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性能顯得尤為重要 。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙和尺寸
華北電力大學(xué)控制與工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)采用創(chuàng)新的自適應(yīng)懸掛系統(tǒng) ， 該系統(tǒng)由無刷減速電機(jī)驅(qū)動 ， 徹底摒棄了傳統(tǒng)的機(jī)械減震器 ， 同時(shí)為了解決四輪系統(tǒng)中由于路面不平導(dǎo)致的振動和傾斜問題 ， 研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種虛擬彈簧阻尼系統(tǒng) 。 該系統(tǒng)通過力控制來模擬傳統(tǒng)彈簧阻尼減震器的效果 ， 確保所有車輪同時(shí)與地面接觸 ， 同時(shí)吸收多余的振動能量 。 虛擬彈簧確保車輪與地面有足夠的牽引力 ， 而虛擬阻尼則依靠車身慣性來過濾高頻振動 。 研究人員表示 ， 通過該設(shè)計(jì) ， 能夠有效提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度 ， 避免傳統(tǒng)機(jī)械減震器的非線性問題 ， 使得控制更加精準(zhǔn)高效 。
自適應(yīng)懸掛系統(tǒng)四輪移動機(jī)器人設(shè)計(jì)原型
此外 ， 研究人員還提出引入了一種靈活的姿態(tài)控制策略 。 該策略以底盤姿態(tài)作為反饋 ， 通過線性化處理提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng) 。 姿態(tài)控制分為內(nèi)外兩個(gè)閉環(huán)控制：內(nèi)環(huán)采用虛擬彈簧阻尼控制 ， 確保車輪與地面的穩(wěn)定接觸；外環(huán)則根據(jù)底盤姿態(tài)的反饋調(diào)整虛擬彈簧的零點(diǎn)位置 ， 從而實(shí)現(xiàn)對底盤姿態(tài)的精確控制 。
四輪移動機(jī)器人電路原理圖
為了進(jìn)一步優(yōu)化控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng) ， 研究人員對姿態(tài)控制中的非線性干擾進(jìn)行了反饋線性化處理 。 通過引入靜態(tài)增益補(bǔ)償 ， 消除了電機(jī)輸出與底盤姿態(tài)之間的非線性關(guān)系 ， 使得控制系統(tǒng)在不同工作條件下都能保持穩(wěn)定的性能 。
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為了驗(yàn)證所提出技術(shù)的有效性 ， 研究團(tuán)隊(duì)在三種不同的模擬道路上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn) ， 包括平坦道路、復(fù)雜道路和含7°斜坡的道路 。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 ， 在僅采用虛擬彈簧阻尼控制的情況下 ， 機(jī)器人的四輪能夠同時(shí)觸地 ， 對角度控制起到了濾波作用 ， 降低了角度變化率 。 然而 ， 在靜態(tài)情況下 ， 虛擬彈簧阻尼控制無法減小角度變化的幅度 。 當(dāng)加入懸掛自適應(yīng)控制后 ， 底盤角度變化顯著減小 ， 驗(yàn)證了靈活姿態(tài)控制的有效性 。
減震器系統(tǒng)及其簡化模型
【華北電力大學(xué)打造自適應(yīng)懸掛四輪移動機(jī)器人 復(fù)雜地形穩(wěn)定性出色】
虛擬彈簧阻尼控制
此外研究人員進(jìn)一步測試線性化控制對動態(tài)響應(yīng)的影響 ， 詳細(xì)記錄了機(jī)器人跨越樓梯邊緣時(shí)的動態(tài)變化 。 結(jié)果顯示 ， 在沒有線性化控制的情況下 ， 機(jī)器人前后懸掛的高度差異導(dǎo)致前輪產(chǎn)生了顯著波動 ， 且這種波動在前輪完全接觸地面后仍然存在 ， 一定程度上影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。 而加入線性化控制后 ， 系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)得到了很大地改善 ， 波動明顯減小 。
四輪移動機(jī)器人爬樓梯動作拆解
駛過樓梯時(shí)線性化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在復(fù)雜的戶外環(huán)境中 ， 研究團(tuán)隊(duì)對機(jī)器人進(jìn)行了綜合測試 ， 測試環(huán)境包括隨機(jī)地形、斜坡、碎石和土塊等路況 。 機(jī)器人在該路線上行駛了總共10米 ， 速度提升至0.2米/秒 。 測試分為兩組進(jìn)行：一組采用無懸掛控制 ， 另一組則采用靈活姿態(tài)控制 。
室外道路綜合測試
x軸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
y軸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看 ， 在相同條件下 ， 與無懸掛控制相比 ， 靈活姿態(tài)控制使機(jī)器人在X軸和Y軸上的角度變化分別減少了93.1%和87.5% ， 有效提高了機(jī)器人在復(fù)雜地形下的行駛穩(wěn)定性 。
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研究人員表示 ， 這種通過自適應(yīng)懸掛系統(tǒng)和靈活的姿態(tài)控制策略結(jié)合 ， 四輪移動機(jī)器人展現(xiàn)出巨大的商業(yè)潛力 ， 在交通運(yùn)輸領(lǐng)域 ， 該機(jī)器人能夠輕松應(yīng)對不平坦的道路和復(fù)雜的地形 ， 確保貨物或乘客的安全運(yùn)輸 。 其穩(wěn)定的底盤姿態(tài)和出色的越障能力 ， 使得機(jī)器人能夠在惡劣天氣或偏遠(yuǎn)地區(qū)執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù) ， 極大提高了運(yùn)輸效率和安全性 。
在視頻拍攝領(lǐng)域 ， 機(jī)器人能夠保持穩(wěn)定的拍攝姿態(tài) ， 為攝影師提供清晰的畫面和穩(wěn)定的視角 。 通過實(shí)際測試 ， 自適應(yīng)懸掛系統(tǒng)的四輪移動機(jī)器人能夠穿越復(fù)雜地面 ， 無論是在山地、沙漠還是城市街道 ， 機(jī)器人都能根據(jù)地形調(diào)整車輪高度和底盤姿態(tài) ， 確保拍攝畫面的穩(wěn)定性 。
熱力管道隧道檢測及其應(yīng)用電路
在環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害救援等任務(wù)中 ， 搭載自適應(yīng)懸掛系統(tǒng)的四輪移動機(jī)器人能夠進(jìn)入人類難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測和救援工作 。 在地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生后 ， 機(jī)器人可以迅速響應(yīng) ， 為救援人員提供寶貴的信息和支持 。
除特種領(lǐng)域外 ， 該機(jī)器人還能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)等領(lǐng)域的巡視和檢測任務(wù) 。 其靈活的車輪和懸掛系統(tǒng)使得機(jī)器人能夠在復(fù)雜的自然環(huán)境中自由穿梭 ， 對作物生長、病蟲害情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測 ， 提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和資源利用率 。
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華北電力大學(xué)控制與工程學(xué)院打造的自適應(yīng)懸掛系統(tǒng)四輪移動機(jī)器人 ， 通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)虛擬彈簧阻尼系統(tǒng)和靈活姿態(tài)控制算法 ， 并結(jié)合反饋線性化技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在復(fù)雜地形下的行駛穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)性能 ， 未來該系統(tǒng)有望在更多輪式移動機(jī)器人上得到普及與應(yīng)用 ， 進(jìn)入更加豐富的商用落地場景 。
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