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1、计算机辅助设计报告三轮全向移动机器人运动控制仿真9004 余杨广9019 沈阳9031 陈斌人员分工：余杨广：总体负责，系统理解及控制器设计，PPT制作，后期报告审查及修改陈斌：PPT制作，报告撰写沈阳：资料收集，辅助其余两人完成任务目录一、实验目的错误!未定义书签。二、实验原理错误!未定义书签。控制对象一三轮全向机器人错误!未定义书签。控制系统结构错误!未定义书签。三、实验内容错误!未定义书签。电机模型错误!未定义书签。物理建模错误!未定义书签。Simulink模块搭建错误!未定义书签。无刷直流电机仿真模型的验证错误!未定义书签。运动学模型错误!未定义书签。物理建模错误!未定义书签。Simu
2、link模块搭建错误!未定义书签。路径规划错误!未定义书签。.传感器设计错误!未定义书签。.控制器设计错误!未定义书签。电机控制器设计错误!未定义书签。运动控制器设计错误!未定义书签。观测器错误!未定义书签。四、结果验收错误!未定义书签。x轴方向的误差错误!未定义书签。y轴方向的误差错误!未定义书签。前进方向偏角工错误!未定义书签。速度误差错误!未定义书签。五、致谢错误!未定义书签。六、附录（路径规划函数）错误!未定义书签。一、 实验目的（一）建立三轮全向机器人系统的数学模型，然后基于 simulink 建立该系 统的仿真模型并设计控制器，最终满足控制要求；（二）控制的最终目的是使该机器人能够
3、良好跟踪预期的运动轨迹；（三）通过对复杂系统的分析、建模、仿真、验证，全面提高利用计算机 对复杂系统进行辅助设计的能力；（四）通过集体作业、分工完成任务的方式培养团队意识，提高团队集体 攻关能力二、 实验原理2.1 控制对象三轮全向机器人三轮全向移动机器人其驱动轮由三个全向轮组成，径向对称安装，各轮互成 120角，滚柱垂直于各主轮。三个全向轮的大小和质量完全相同，而且由性能 相同的电机驱动。图1三轮全向移动机器人控制系统结构传感器机嚣人实际输出轨迹巴=7*QD赘述。模块中，Vd为待输入的期望速度值，xs为期望的x轴位置，ys为期望的 y轴位置，ths为期望的小车前进偏角。最后，曲线生成模块圭寸
4、装图如下图所示：.传感器设计为了实现对小车自身状态（包括自身位置信息和朝向信息）的感知，我们设 计了一传感器模块，以便引入反馈。搭建的Simuli nk模块如下：其中，v1,v2,v3为三个电机的线速度，中间的函数实现电机线速度到真实CD1GD72CDv3Interpr&tsdWATLAE FsrhBrpresd MA7LAEFur.血 nlrt&js:ar*GDXhEgtsla 1Cc-ratzrtSnlEr 3tor2*CDH-UT1世界中Vx,Vy和w的转化。最后，我们将传感器模块封装，封装图如下:.控制器设计对于小车的控制，我们认为无非要解决两个问题，一个是小车是否受控听话 即电机的控
5、制问题；第二个问题是小车是否足够聪明知道该怎样走，即运动学控 制问题。下面我们将就这两个方面展开论述。电机控制器设计从电机模型一节中可以看出，电机模型的数学公式非常复杂，推算电压V 和转速w之间的关系非常的困难，我们推算了很久也没有成功。后来我们想到, 不管是交流电动机或者是直流电动机，他们的本质都是电动机。而电动机的传递 函数都是一阶的，对于一阶模型我们利用P控制就能够实现很好的控制，而且也 非常好调试，比例环节K的值越大越好，总能够实现较好的动态性能。最终我们 出于消除稳态误差的考虑，采用了 PI控制加上前置滤波的控制方式。经过调试,最终我们的PI控制器为丄，前置滤波器为曲。最终的控制si
6、mulink 图如下图所示：为了检验我们控制器的效果，我们特意与学长的控制器进行了对比，对比方 式为控制下的电机阶跃响应性能。对比图如下图所示：学长电机控制的阶跃响应图我们的电机控制阶跃响应图从图中我们可以看出，不管是从调节时间还是从稳定性、超调量来看，我们 的控制器都有着绝对的优越性。运动控制器设计对于运动控制即位置控制，我们认为控制框图应该如下图所示:一个在真实坐标戏中运动的小车模型如下图所示:位置丄为车中心到小车前端的距离，Vs为速度误差，d为位置误差，则根据上 图可建立以下公式：x = vu * cos ey = Vu * Sine Vu9= _ *小车在前进过程中，轨迹与预期的轨迹之
7、间的误差如下图所示:其中,P；=K*cos0 =0 0 , 0 =0 0pspsd = R *cos/tan-i(y-、 ysIxXs丿d = V *sin 0 = V tanOup s要达到良好的控制效果，设计上必须要确定一个控制目标。在设计中，我们 要达到的目的有3个：1. 0p2. Vs期望速度Vd3. d 0因为我们能够控制电机的转速，所以速度控制暂不考虑，我们只需考虑小车 的期望向角0 “而这三个目标只要能够保证d-0，其他目标就能够实现。根据以上公式，可以推导出到d的函数传递关系图如下：T 0 1/s e i %d l/s d根据以上函数传递图，可以推导出以下关系图：0d IQpd
8、Lss我们要得到的是预期输入d为0,输出也为0；我们采用内外环控制方式，引入反馈d 和巳因为内外环均是一阶环节，采用比例控制就能获得很好的控制效果。最终我们的内环 的比例控制是100,外环的比例控制是30，因此0 J - -3000d-30汀;控制器的阶跃响应图如下图所示：InirlStep Response.9A- D 7.6.S片 3.2H o D D os.LIo0.1 S0.20.2S0.3Time (seconds)0.3S O.d 0.4SO.SMl LTI Viewer for SISO Design TaskFile Edit Window HelpL71 ViewerReal-Time Update最后，得到真实世界坐标系中的预期期望速度：讥-Vd 水 Cqs( B + (|)刃Vv - % * Sin(S + () d)最后，经过世界坐标系到机器坐标系的转换，得到预期的电机线速度。至此, 整个运动学控制结束。根据以上推导，我们搭建的Simuli nk模块如下图所示：:2护GtfcECp*Q0CD4整个封装与路径规划模块、坐标转换模块的连接如下图所示:观测器为了方便观察预期与实际的误差，我们设计了一个观测器模块如下:CDth观测器封装如下:xsexeyetheyKDethScopel学长的D1
