四驱动履带式探测机器人机械结构设计及控制算法研究(附件)
摘 要煤矿救援机器人是一种自主或者半自主机器人，针对煤矿救援机器人存在的行驶速度与驱动扭矩不能同时兼顾的问题，本文设计了一种基于超越离合器的四驱动履带式探测机器人，并且仿照人类对于未知环境的探索过程，提出了针对该机器人的“试探模型”自适应控制策略。针对无刷直流电机PID参数的优化问题，本文提出了基于细菌觅食的克隆选择优化算法。函数测试结果表明，该算法能够全局搜索，收敛速度快。本文利用SIMULINK工具，先是建立无刷直流电机PID参数优化模型，将上述算法得到的PID参数进行验证。然后在此基础上，建立了机器人控制策略仿真模型，验证该控制策略的有效性。最后，本文搭建了实物模型，对机器人的机械结构和控制性能进行验证。仿真模型和试验结果表明，基于细菌觅食的克隆选择优化算法得到的PID参数，使得无刷直流电机PID控制效果显著提高。本文设计的四驱动行走机构能够在不显著增加自身质量的同时，能够满足机器人对于速度与扭矩的要求，针对该行走机构所设计的控制策略能够保证机器人自动的切换速度和扭矩模式，很好地适应不同的地形条件。关键字：四驱动；机械结构；电气系统；控制算法；试验仿真目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 设计的背景和意义 1
1.3 国内外研究与应用现状 2
1.3.1 国外研究成果 2
1.3.2 国内研究成果 3
第二章 四驱动履带式探测机器人行走机构设计 5
2.1 机器人行走机构的方案 5
2.1.1 几种常见的行走机构 5
2.1.2 机器人行走机构方案的确定 7
2.2 行走机构的设计方案 8
2.2.1 履带式机器人结构组成 8
2.2.2 双驱动轮履带行走单元设计 8
2.3 双驱动轮履带行走机构具体的机械设计 10
2.3.1 双驱动轮履带行走单元设计 10
2.3.2 双驱动轮履带行走主传动系统的机械设计 10
第三章 机器人电气系统的分析与设计 19
3.1 单片机选型 19
3.1.1 Stm32单片机的主要功能特点 19
3.1.2 Stm2单片机部
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
8
2.3 双驱动轮履带行走机构具体的机械设计 10
2.3.1 双驱动轮履带行走单元设计 10
2.3.2 双驱动轮履带行走主传动系统的机械设计 10
第三章 机器人电气系统的分析与设计 19
3.1 单片机选型 19
3.1.1 Stm32单片机的主要功能特点 19
3.1.2 Stm2单片机部分端口功能说明 19
3.2 煤矿救灾机器人单片机外围模块 20
3.2.1 电源电路 21
3.2.2 晶振电路 22
3.2.3 复位电路 22
3.2.4 启动模式接口设置 22
3.2.5 RS232串口 23
3.2.6 红外传感器 23
3.2.7 数字温湿度传感器 23
3.2.8 瓦斯浓度传感器 24
第四章 机器人无刷直流电机PID参数整定 25
4.1 无刷直流电机的传递函数模型 25
4.2 基于细菌觅食的克隆选择优化算法 26
4.2.1 克隆选择算法 26
4.2.2 细菌觅食算法 26
4.2.3 基于细菌觅食的克隆选择优化算法 27
4.2.4 函数测试 28
4.2.5 算法优化结果 31
4.3 基于Simulink的无刷直流电机PID参数优化仿真 32
4.3.1 Simulink仿真模型的搭建 32
4.4 Simulink仿真结果 34
4.4.1 采用“试凑法”进行PID参数设置 34
4.4.2 利用算法进行PID参数优化 37
第五章 四驱动履带式探测机器人控制策略研究及验证 39
5.1 四驱动履带式探测机器人的工作模式及控制要求 39
5.1.1 机器人的工作模式 39
5.1.2 控制的基本要求 40
5.2 机器人控制策略 41
5.2.1 两种驱动模式互换的理论基础 41
5.2.2 基于“试探过程”的不同工作模式切换策略 41
5.3 基于Simulink的机器人控制策略验证 43
5.3.1 Simulink模型搭建 43
5.3.2 Simulink模型验证 45
5.4 机器人控制策略实验验证 48
5.4.1 试验平台的搭建 48
5.4.2 基于试验平台的机器人控制策略验证 49
5.5 小结 49
结论与展望 50
致 谢 51
参考文献 52
附录A：测试程序 54
附录B：基于细菌觅食的克隆选择优化算法程序 59
第一章 绪论
1.1 引言
机器人技术在未来新兴产业发展中具有举足轻重的地位[1][2]。在国外，美国发起了 “美国国家机器人计划”、欧洲联盟FP7计划中大力发展 “认知系统与机器人技术”。在我国，973、863等国家重大科技规划中，关于机器人技术的研究有很多。 未来高新技术产业的发展要以机器人技术为重要依托，大力发展机器人技术，对于国防建设和国家经济发展具有深远的意义。
1.2 设计的背景和意义
图11：2006~2013全国矿难次数和死亡
我国是煤炭消费大国[3][4]，对煤炭的需求量越来越大。由于作业环境恶劣等问题，我国经常发生矿难事故。如图11，从2006年起，一直到2013年，据不完全统计，我国各省市共计发生煤矿事故1048次，造成6762人死亡。在过去的7年中，平均每年发生事故136起，有845人因此丧命[5][8]。
矿难事故一旦发生 ，受制于高温、缺氧等条件的限制 ，并且可能发生二次灾害，救援人员无法第一时间到达灾难现场，并且营救过程中，也无法保障救援人员的人身安全。因此，为了保证煤矿救援工作能够顺利的实施，迫切需要研制能够代替或者协助救援人员到达事故现场，开展救援工作的煤矿救灾机器人。
1.3 国内外研究与应用现状
1.3.1 国外研究成果
图12：RATLER
如图12，是美国的RATLER矿井探索机器人[9] ，其主要作用是矿难发生后，第一时间进入矿难区域，进行勘探。除了在煤矿救援方面得到应用，该机器人还在月球表面探测和军事等方面得到应用。
图13：Simbot矿井搜索机器人
图14：V2煤矿救援机器人
（2）如图13，Simbot由美国南佛罗里达大学研制成功[10]，能够利用基本气体监视设备检测甲烷等气体含量，并且通过数字低照度摄像机采集图像，生成井下地图，为救援提供便利。
（3）如图14，是V2煤矿救援机器人[11]，能够在低照度情况下行驶，可以远程遥控。利用光纤通信，使操纵者可以实时的看到井下环境和甲烷、氧气等气体的浓度，便于实施救援决策。
1.3.2 国内研究成果
图15：CUM T 1
（1）CUM T 1煤矿搜救机器人[
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 设计的背景和意义 1
1.3 国内外研究与应用现状 2
1.3.1 国外研究成果 2
1.3.2 国内研究成果 3
第二章 四驱动履带式探测机器人行走机构设计 5
2.1 机器人行走机构的方案 5
2.1.1 几种常见的行走机构 5
2.1.2 机器人行走机构方案的确定 7
2.2 行走机构的设计方案 8
2.2.1 履带式机器人结构组成 8
2.2.2 双驱动轮履带行走单元设计 8
2.3 双驱动轮履带行走机构具体的机械设计 10
2.3.1 双驱动轮履带行走单元设计 10
2.3.2 双驱动轮履带行走主传动系统的机械设计 10
第三章 机器人电气系统的分析与设计 19
3.1 单片机选型 19
3.1.1 Stm32单片机的主要功能特点 19
3.1.2 Stm2单片机部
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
8
2.3 双驱动轮履带行走机构具体的机械设计 10
2.3.1 双驱动轮履带行走单元设计 10
2.3.2 双驱动轮履带行走主传动系统的机械设计 10
第三章 机器人电气系统的分析与设计 19
3.1 单片机选型 19
3.1.1 Stm32单片机的主要功能特点 19
3.1.2 Stm2单片机部分端口功能说明 19
3.2 煤矿救灾机器人单片机外围模块 20
3.2.1 电源电路 21
3.2.2 晶振电路 22
3.2.3 复位电路 22
3.2.4 启动模式接口设置 22
3.2.5 RS232串口 23
3.2.6 红外传感器 23
3.2.7 数字温湿度传感器 23
3.2.8 瓦斯浓度传感器 24
第四章 机器人无刷直流电机PID参数整定 25
4.1 无刷直流电机的传递函数模型 25
4.2 基于细菌觅食的克隆选择优化算法 26
4.2.1 克隆选择算法 26
4.2.2 细菌觅食算法 26
4.2.3 基于细菌觅食的克隆选择优化算法 27
4.2.4 函数测试 28
4.2.5 算法优化结果 31
4.3 基于Simulink的无刷直流电机PID参数优化仿真 32
4.3.1 Simulink仿真模型的搭建 32
4.4 Simulink仿真结果 34
4.4.1 采用“试凑法”进行PID参数设置 34
4.4.2 利用算法进行PID参数优化 37
第五章 四驱动履带式探测机器人控制策略研究及验证 39
5.1 四驱动履带式探测机器人的工作模式及控制要求 39
5.1.1 机器人的工作模式 39
5.1.2 控制的基本要求 40
5.2 机器人控制策略 41
5.2.1 两种驱动模式互换的理论基础 41
5.2.2 基于“试探过程”的不同工作模式切换策略 41
5.3 基于Simulink的机器人控制策略验证 43
5.3.1 Simulink模型搭建 43
5.3.2 Simulink模型验证 45
5.4 机器人控制策略实验验证 48
5.4.1 试验平台的搭建 48
5.4.2 基于试验平台的机器人控制策略验证 49
5.5 小结 49
结论与展望 50
致 谢 51
参考文献 52
附录A：测试程序 54
附录B：基于细菌觅食的克隆选择优化算法程序 59
第一章 绪论
1.1 引言
机器人技术在未来新兴产业发展中具有举足轻重的地位[1][2]。在国外，美国发起了 “美国国家机器人计划”、欧洲联盟FP7计划中大力发展 “认知系统与机器人技术”。在我国，973、863等国家重大科技规划中，关于机器人技术的研究有很多。 未来高新技术产业的发展要以机器人技术为重要依托，大力发展机器人技术，对于国防建设和国家经济发展具有深远的意义。
1.2 设计的背景和意义
图11：2006~2013全国矿难次数和死亡
我国是煤炭消费大国[3][4]，对煤炭的需求量越来越大。由于作业环境恶劣等问题，我国经常发生矿难事故。如图11，从2006年起，一直到2013年，据不完全统计，我国各省市共计发生煤矿事故1048次，造成6762人死亡。在过去的7年中，平均每年发生事故136起，有845人因此丧命[5][8]。
矿难事故一旦发生 ，受制于高温、缺氧等条件的限制 ，并且可能发生二次灾害，救援人员无法第一时间到达灾难现场，并且营救过程中，也无法保障救援人员的人身安全。因此，为了保证煤矿救援工作能够顺利的实施，迫切需要研制能够代替或者协助救援人员到达事故现场，开展救援工作的煤矿救灾机器人。
1.3 国内外研究与应用现状
1.3.1 国外研究成果
图12：RATLER
如图12，是美国的RATLER矿井探索机器人[9] ，其主要作用是矿难发生后，第一时间进入矿难区域，进行勘探。除了在煤矿救援方面得到应用，该机器人还在月球表面探测和军事等方面得到应用。
图13：Simbot矿井搜索机器人
图14：V2煤矿救援机器人
（2）如图13，Simbot由美国南佛罗里达大学研制成功[10]，能够利用基本气体监视设备检测甲烷等气体含量，并且通过数字低照度摄像机采集图像，生成井下地图，为救援提供便利。
（3）如图14，是V2煤矿救援机器人[11]，能够在低照度情况下行驶，可以远程遥控。利用光纤通信，使操纵者可以实时的看到井下环境和甲烷、氧气等气体的浓度，便于实施救援决策。
1.3.2 国内研究成果
图15：CUM T 1
（1）CUM T 1煤矿搜救机器人[
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