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一种架桥系统自动架设运动规划与控制
| 论文题名： | 一种架桥系统自动架设运动规划与控制 |
| 关键词： | 架桥系统;自动架设;运动规划;人工势场;运动控制器 |
| 摘要： | 本文以某架桥系统运动规划与控制为主要研究内容，提出了一种椭圆影响域的改进人工势场法进行路径轨迹，采用遗传算法与模型预测控制方法优化架桥系统系统作业轨迹，并设计桥梁的运动控制器，通过联合仿真验证了算法的有效性、轨迹规划的准确性以及控制系统的稳定性。 主要内容包括： （1）对移动平台使用单轨车辆模型进行建模，采用牛顿-欧拉方程进行动力学分析，得到移动平台横摆动力学方程；以改进D-H矩阵和拉格朗日方程对架桥设备进行运动学、动力学分析，得到自动架设运动约束方程和动力学表达式，得到的数学模型可为轨迹规划与优化、模型预测控制器设计等提供支撑。 （2）针对传统人工势场法容易陷入局部最小值、狭窄通道通行能力不足等问题，根据碰撞风险等级对空间进行划分，提出了一种考虑相对速度的椭圆形障碍影响域，并优化了斥场强度，提高了移动平台路径规划的效率。 （3）根据动力学计算结果，结合各关节的额定力矩建立安全裕度函数，在不同的时间条件下，采用遗传算法进行轨迹优化计算，得到各关节的运动状态及安全裕度随时间变化的曲线，将计算结果与系统实际作业能力相对比，得到各步骤最佳作业时间及各关节的期望轨迹，为自动架设运动控制提供输入。与原过程相比，优化的轨迹缩短了作业时间、提高了作业安全性。 （4）建立模型预测控制器，构建综合性能函数，对移动平台运动轨迹进行在线规划与跟踪控制；计算架桥作业时各关节受到的重力影响值，建立了具有重力补偿的PID位置控制器，对多关节PID参数进行设置，达到较好的稳定性；最后，利用CarSim和Adams建立物理模型，通过与Matlab联合进行动力学仿真，在不同环境和不同车速下进行验证。仿真中移动平台能够有效规避障碍物，架桥设备能够快速完成桥梁架设作业。结果表明：采用本文的方法能够充分发挥系统性能，实现了运动轨迹对环境的动态匹配，优化后的轨迹满足架桥系统自动架设运动规划与控制的要求，具有更短的作业时间，对其他设备的自动作业研究等具有较强的借鉴意义。 |
| 作者： | 贺宇锋 |
| 专业： | 机械工程;机械电子 |
| 导师： | 罗翔;陈启山 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东南大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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