● 摘要
球形机器人是一种比较特殊的移动机器人，机械机构、驱动装置、控制系统与动力设备等都包容在封闭的球形壳体之内，并能够在静态和动态情况下保持系统的平衡和稳定。因此球形移动机器人在工业、民用以及空间探索等领域具有非常广泛的应用前景。 本文深入地研究了球形机器人的直线运动控制与轨迹跟踪控制算法，有效地解决其在运动控制方面的关键问题；并设计了一套完整的球形机器人运动控制系统，其中包括机器人本体的运动控制器以及远程遥控终端。主要研究内容如下： 第一，建立了球形机器人直线运动的动力学模型，提出并采用了基于SIMO_PID控制器的直线运动控制算法，有效解决了其直线运动的稳定控制问题，并通过ADAMS与MATLAB的联合仿真验证了控制算法的可行性与性能。 第二，建立了球形移动机器人的运动学模型，采用基于非线性跟踪微分器及模糊自适应PID控制器实现球形移动机器人的轨迹跟踪控制问题，并通过仿真验证了算法的可行性，并与经典PID算法的控制性能进行了对比。 第三，简要介绍了姿态测量单元的组成及解算原理，针对卡尔曼滤波器及互补滤波器两种姿态信息融合估计方法进行了分析与对比。通过惯性传感器的矫正及对估计算法提出改进提高了系统性能及测量精度。 第四，设计了一套完整的球形机器人本体运动控制器，并针对各个功能模块进行了软件设计；为了避免频繁拆装机器人，设计并实现了基于无线通信技术的本体控制器固件远程更新方法。 第五，设计了一套远程手持控制终端，主要包括遥控输入单元、信息输出单元、无线通信单元的硬件设计；针对嵌入式控制平台移植了RT-Thread嵌入式实时操作系统，并在其上针对各个功能模块开发了嵌入式控制软件。同时为了扩展球形移动机器人的应用环境，针对Android系统开发了一款基于Wi-Fi无线传输的手机远程遥控软件。 第六，针对运动控制以及姿态测量模块分别进行了实验研究并测试性能，借助了双目视觉测试平台，针对移动机器人轨迹跟踪控制进行了实验研究，验证了算法的性能。同时针对球形机器人的直线运动、原地转向运动及越障性能进行了实验研究。