基于ADAMS和MATLAB自行车机器人联合仿真运动.docx
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基于ADAMS和MATLAB自行车机器人联合仿真运动
编号:
毕业设计(论文)说明书
题目:
基于ADAMS和MATLAB自行车
机器人圆周运动仿真研究
学 院:
机电工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
学生姓名:
学号:
指导教师单位:
机电工程学院
姓名:
职称:
副教授
题目类型:
理论研究实验研究工程设计工程技术研究
2014年5月28日
摘要
自行车是我们日常很常见的交通工具,自行车机器人是在自行车的基础上,加上自动控制系统来达到不需要人为控制的自行车,简单的说它就是把自行车和机器人结合起来的一种机器。
在驱动设备的驱动下,它可以通过它的控制器进行控制自主完成运动。
我们都知道,自行车主要通过它的车轮子和地面间的摩擦力来运动,地面与车轮的接触跟点接触差不多,所以他的的平衡动力学模型是相当的复杂的。
因为机械系统的物理样机和动力学模型建立起来太过麻烦,而且成本很高。
所以在文中我们要用到虚拟样机,虚拟样机技术的好处在于不用建立物理样机,只需要用三维建模软件建立好几何模型,再给模型加上合理的约束、驱动力矩、质量属性等必要因素,这样就能简单便捷地到了我们想要的模型,大大减少了我们的工作量,使得研究起来更简单。
另外,结合Matlab软件进行联合仿真,这样一来,整个联合仿真过程就显得更加的简单了。
得助于这些软件,这次的研究联合仿真运动控制的成本和时间都节约了很多。
本文主要研究自行车机器人基于虚拟样机的圆周运动的平衡控制。
具体步骤如下;首先用所学软件建立它的几何模型。
文中本人使用的是PRO/E建立自行车机器人的三维模型。
然后装配好的自行车机器人模型保存为T_X文件以方便它导入到ADAMS2012,紧接着在动力学软件ADAMS2012中加上必要的属性从而得到带着动力学模型的机械模型。
再然后把课本学到是控制工程的思想拿出来运用,并且结合数学软件Matlab的Simulink模块进行联合仿真,实现了自行车的圆周运动任务。
关键词:
PRO/E;Simulink;ADAMS;PID控制;圆周运动;自行车机器人
Abstract
Bicycleisourdailycommonmeansoftransportation,Thebicyclerobotsonthebasisofthebikeandcombinedingwithautomaticcontrolsystemtoachievenotneedmanualcontroling.Simplysayitisamachinecombineswiththebicycleandrobot.Bythedrivingofthedrivingdevice,itcanbedonebythecontrollertocontroltheindependentmovement.Asweallknow,bicyclemainlymovebythefrictionwhichbetweenthegroundanditswheels.Thecontactofthegroundandwheelsissimilartopointcontact.Sothebalanceofhisdynamicmodelisquitecomplicated.
SincethemechanicalsystemdynamicmodelofphysicalprototypeandbuiltuptoomuchtroubleAndthecostisveryhigh.Sointhispaperweusevirtualprototype,Theadvantagesofvirtualprototypingtechnologyisnotsetupthephysicalprototype,itOnlyneedtocreateageometricmodelwiththreedimensionalmodelingsoftware.Thenaddedtothemodelofreasonableconstraint,drivingmoment,necessaryfactorssuchasqualityattributes.Soyoucansimpleandeasytohavethemodelwahtwewant,greatlyreducingtheworkloadofus,Itismoreeasytomakeresearch.Inaddition,becauseofthecombinedsimulationofMatlabsoftware,sothesimulationprocessismoresimple.Toaidinthesoftware,thisstudycombinedsimulationmovementcontrolcostandtimesavingalot.
Thispapermainlystudiesbicyclerobotbasedonvirtualprototypeofthebalanceofthecircularmotioncontrol,Specificstepsareasfollows,Firstofallusethesoftwarewehavelearntoestablishitsgeometricmodel.Inthispaper,IusePRO/Esetupbicycle3dmodeloftherobot.ThenbicycleassemblyrobotmodelissavedasaT_XdocumentsforimportitintoADAMS2012.ThenaddthenecessarypropertyinthedynamicssoftwareADAMS2012withamechanicalmodelofdynamicmodelisobtained.Thentakeoutyourthethinkingofthecontrolengineeringyouhavelearntoapplication.AndcombinedwiththemathematicalsoftwareMatlabSimulinkmoduleforcombinedsimulation,realizethecircularmotionofbicycletask.
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Keywords:
PRO/E;Simulink;ADAMS;PIDcontrol;circlingmotion;bicyclerobot
引言
自行车机器人是人们提出来的一种比较新型的智能交通工具或者说是运输工具,它运用了机器人的智能,还有自行车的简单,将这两者巧妙结合,在机器人研究领域是一种新的概念。
自行车是相当灵活的,整体车体小巧玲珑、能小半径的回转运动、也可以小半径圆周运动。
结构也及其简单,拆装、携带都很方便。
因此可以在很大范围内运用,主要可用于复杂环境灾难救援和森林作业等特殊任务中,它本身是一个欠驱动的非完整系统,同时还具有一定的侧向不稳定性和对称性,所以还需要投入大量人力和资源对其进行深入研究和开发,使得它只有一定的科学和实际价值。
毕竟它的价值不可估量的,自行车机器人主要承担的是运输任务,因此要提高其承载能力。
灾区、森林作业区等这些特殊场合的路面环境极为复杂、恶劣,因此在这些环境中工作的自行车机器人只有具有一定的环境判断能力、自主决策能力、高度的运动敏捷性、适应复杂的路面状况才能完成运输任务。
目前联合仿真技术是非常热门的,因为这门技术真的是给学术研究带来了很多的方便,使得本身很复杂的研究变得简单无比,它是CAE行业发展的主体趋势。
它不仅能带来方便,而且能把各学科的复杂交互作用能巧妙联系起来并准确表达。
完全保证了和实体模拟的物理现象保持高度一致。
这么技术自从产生以来就一直备受亲昧,联合仿真技术是一门非常好用而且也使用起来也简单的技术。
它的出现,对于比较复杂的动力学模型的机械系统研究简直就是福音。
传统的难题在这里一一得到了解决,再也不用走先建立物理样机和动力模型,然后还要用各种控制理论对他的模型进行分析研究的老套路。
建立动力学模型和动力学系统实在是太麻烦了,要准确建立那就更加是难上加难了。
遇到非线性的系统,要先线性化处理,这是一件很低效率的事情。
制作物理样机还要花钱买材料,做错了还要重新买。
然而联合仿真技术就不用这样,只需运用相关的三维建模软件,然后导入动力学软件中,就可以得到你想要的虚拟样机。
简单便捷高效率,所以本文要研究讨论采用ADAMS和Matlab软件对自行车机器人的圆周运动进行联合控制仿真。
1绪论
本章的主要内容就是对自行车机器人的研究现状和运用虚拟样机技术对其进行研究所用到的相关软件进行简要的阐,并在最后交代了课题背景和设计任务。
1.1自行车机器人概述
自行车是我们日常生活中很常见的交通工具,它在我国还是相当重要的交通工具的,尤其是目前我国的油价飞快上涨,城市交通拥堵,还有就是人们提倡低碳环保的生活。
所以自行车越来越受人欢迎。
它结构简单、零部件很少,有多种尺寸大小的款式,并且很容易驾驶,所以是老少皆宜的一款代步工具。
由于它本身的车身小,能做小半径的圆周运动,即方向可以灵活控制。
因此它可以在狭小的小道上行驶,这是机动车无法做到的,而且还低碳环保、还能得到锻炼。
关键是它的价格还很低廉。
机器人是能够自动执行一定的动作的机器装置,它可以实时接收人们的命令完成相应的工作,也可以在事先编好的程序下,按程序一步步自动完成规定好的动作,它还可以根据人工智能技术根据外界条件而做出自己应该做的运动。
机器人主要是用在帮助或者直接取代人们完成一些简单的工作。
目前主要运用于生产业、建筑业,或是危险的工作。
自行车机器人就是把自行车和机器人的优点结合起来。
从而得到了一种低故障率、少关节驱动、能高效利用能源、有长久续航能力机器设备。
作为一种造价并不高的交通工具,自行车机器人还可以运用于马戏团表演,野外探险骑行等方面,所以说对它的研究有很大的应用价值。
在外表看似很简单、运动也很普通的自行车,其实真正要研究其动力学,那还是相当的复杂的。
自行车前后并排着两个轮子,这两个车轮不敢是在横向还是纵向受到的都是不完整的约束;其次,车架的左右倾角在没有直接的驱动激励的情况下,是动态可稳定静态不稳定的,属于欠驱动的系统;再次,自行车机器人的平衡和车架的倾角有关,在做转向运动的时候,其将会受到离心力的作用,速度越大受到的离心力就越大,故其是一个非线性的系统。
综上所述,自行车本身是一个欠驱动的非完整非线性系统,同时还具有一定的侧向不稳定性和对称性。
所以,要做到正确地描述自行车的的动力学模型是非常不容易的,但是,在对自行车的控制的时候,由于控制工程理论的引入,巧妙避开复杂的动力学建模继而得到理想的控制效果,这样就能完成各种运动控制。
在自行车上加上调速、检测装置等机器人的要素所形成的自行车机器人,就是一个很好的代表。
在又驱动装置以及驱动方式的前提下,无人驾驶的自行车机器人才能行驶。
自行车及其人有两种驱动方式,可以选择前轮驱动,也可以选择后轮驱动。
但是假如选择了后轮驱动的话,那么整车的重心将会往后移,从而导致转弯能力大大降低,特别是大角度的转弯,如需要做90°的大角度转弯的回转运动,在后轮驱动的情况下肯定是无法实现的。
前轮驱动可以避免这类问题的发生,但是它也是有自身的缺点的,因为前轮驱动会导致转弯的时候离心力很大和转动惯量大从而导致转弯灵敏度降低,所以说凡是都有两面性,就看你自己需要了,本课题研究讨论的是自行车机器人的圆周运动,所以选择两种驱动方式都是可以的,假如选择的是后轮驱动,那么圆周转动半径不宜太大。
其次,驱动装置也有两种可供选择,既可以选择电动机也可以选择内燃机。
我们都知道电动机体积比较小巧、绿色环保,而且在低转速下也不像人燃机那样可能会熄火,控制起来更方便,所以自行车机器人这更适合使用电动机驱动。
自行车机器人很早以前就被人提出来了,在过去的一个多世纪里,在机器人学术界,国内外有很多这方面的专家就稳定平衡运动控制策略、以及它的机构设计、动力学建模等问题展开了深入研究,并且是取得了不错的成果。
2005年,日本知名公司株式会社村田制作所研制出一款名为村田顽童(muRataBoy)的自行车机器人,它是村田制作所(MuRata)自主开发的世界唯一的自行车型机器人,它的骑车技能甚至超过了人类。
例如:
骑在与车轮同样大小宽度的平衡木坡道上,能够在即使停止的情况下不会倒下。
村田顽童(muRataBoy)集合了村田制作所(muRata)的尖端电子技术,并将村田制作所(muRata)的产品和先进控制技术应用于机器人上,包括有应用于姿势控制的陀螺仪、传送接收命令的蓝牙模组、眼部摄影机所使用的透光性陶瓷镜头、超薄型压电扬声器、蓄电池装置、电源模组等,并装置了电子回路用的电容器、EMI静噪滤波器等众多的通用电子元件。
是什么技术让村田顽童(muRataBoy)能做到这些连大人都做不到的事情呢?
就让我们来看看村田顽童(muRataBoy)的小秘密:
原来在他身上安装了村田制作所(muRata)开发的可保证在停止时不摔倒的陀螺仪、能发现并回避障碍物的超声波感应器和感知路面高低差的振动感应器。
村田顽童自行车机器人如图1-1所示。
1-1村田顽童自行车机器人
我国国防科技大学的王路斌等人在2007年在自行车机器人研究方面取得重大突破,他们根据各种理想化的假设条件,建立了一种无人驾驶自行车的简单倒立摆模型和复杂多体力学模型,并且还分析了前叉非最小相位的操纵特性和车速对车体稳定性的影响。
王路斌团队还制造了一台如图1-2所示的的自行车机器人的物理样机以用来对模型进行控制实验验证,在接下来的实验中他还建立了系统的模糊T-S模型。
对其自行车系统使用了局部线性化方法来设计一个模糊控制器。
在自行车及其人的研究的过程中,王想出了一个在自行车速度发生改变时还能不倒下的控制策略,并且将这个策略实际运用于他所搭建好的样机中,而且还取得了不错的的平衡稳定控制效果。
王这种直接使用真正的自行车机器人样机实验,这在当时我国国内是很罕见的,可谓国内第一人。
上海交通大学刘延柱教授提出过单纯依靠车把转动和车轮驱动速度就可以实现自行车稳定平衡的理论,2007年,北邮郭磊等人根据刘的理论,利用了微分几何方法为其研究的自行车机器人设计了状态反馈控制器。
他们通过给后轮一个恒定的转速,然后控制车把的转向使得自行车机器人能够短时间平衡稳定。
图1-3就是郭磊等人搭建出来的自行车。
图1-2王路斌等研制的无人驾驶自行车样机
图1-3郭磊等设计的自行车机器人样机
1.2三维软件PRO/E软件的简介
PRO/E的全称是PRO/ENGINEER,它是1988年由美国的一家PTC(参数技术)公司开发的一款很实用的三维建模软件。
1985年,PTC公司成立于美国波士顿,那时开始对建模软件研究,第一版PRO/ENGINEER诞生于1988年。
目前Pro/E最高版本为CreoParametric2.0,但是在中国应有最广泛的还是PRO/ENGINEERWildfire5.0(野火5.0),因为到野火5.0这个版本功能已经非常完善,版本也稳定。
野火5.0虽然是比较新的版本但是还是有少部分公司企业在使用比较低级的版本,比如WildFire3.0和WildFire4.0等版本。
主要还是因为PRO/ENGINEER这系列软件都是向下可以版本兼容,但是向上版本是不兼容的。
所以一些公司为了能打开原先版本保存的软件,不得不使用老版本软件。
虽然PTC公司也意识到了这个问题同时也做出了努力,为了能让新版本能普及,他们推出了相关的插件,但是去不尽人意,因为在使用插件的情况下,虽然有能打开,但是有时候不兼容,很不稳定。
在这么多年进过不断地改进发展和完善后,目前已经成为了最普及的CAD/CAM/CAE软件之一。
PRO/ENGINEER在家电、汽车、机械、玩具、航空航天、电子、模具、工业设计、等行业已经得到了很广泛的应用,是一个定位非常广的三维产品设计开发软件。
它能完成模具开发、零件设计、逆向工程、自动检测、产品装配、NC加工、铸造件设计、机构模拟、压力分析、产品数据管理等各项任务。
如今三维软件在设计过程中应用很广泛,大家都喜欢用这类软件,PRO/E更是深入人心。
合理地运用这类软件能够,很多繁琐复杂的工作就变得轻而易举。
在没有这类软件的时候,工程师在设计的时候都是靠自己的大脑想象出来三维实体,这是非常耗脑力的,而且不直观还很容易遗忘,然后才运用工程图学中学的知识用二维图形把三维图形表达出来。
这类图学不仅在制图时麻烦,在过后看图的时也是很麻烦的,都要耗时费力。
直到PRO/E等软件出现后,三维实体的建立和查看都变得形象和直观。
PRO/ENGINEER是一个软件包,它由很多个模块组成,通过各个相关来实现他的功能,其中的机械设计模块是一个高效的三维机械设计工具,我们可以通过其里面的各种功能如拉伸、倒角、旋转、扫描、对称等来绘制各种各样的复杂零件的三维实体图。
即使是不规则的曲面也是可以通过拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等功能模块来实现的。
所以说PRO/E是一款功能非常强大的三维建模软件。
PRO/ENGINEER软件包的产品开发环境在支持并行工作,它通过一系列完全相关的模块表述产品的外形、装配及其他功能。
PRO/E能够让多个部门同时致力于单一的产品模型。
包括对大型项目的装配体管理、功能仿真、制造、数据管理等。
其中PRO/E5.0增加了行为建模技术使其成为把梦想变为现实的杰出工具。
通过拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点阵等功能模块来实现的。
所以说PRO/E是一款功能非常强大的三维建模软件。
1.3虚拟样机技术概况
虚拟样机技术是一种新被提出来的崭新的计算机辅助产品开发技术,它的技术层面和所涉及的领域是非常广的。
国内对这门技术的研究还处于初始阶段,主要还是对虚拟样机技术的结构和概念进行研究。
相比之下,国外对这么技术就研究比较透切。
主要是将这门技术运用于机械设计制造领域,主要用虚拟样机技术进行仿真运动研究。
这门技术融合了计算机设计、制造和仿真技术。
在三维建软件中建好模型后,通过这门技术可仿真真实环境下运动和动力学的结构系统的特性,并且根据仿真分析得到的数据进而改良产品的结构设计,这是一直全新的产品设计理念。
虚拟样机技术可以免去建立物理模型的麻烦,还可以利用互联网把两地的人连接起来对虚拟样机共同研究,可缩短产品设计周期。
因为可以随时反复修改样机,可以尽早发现并修改问题,所以具有很大的灵活性。
传统的产品开发是一个很漫长的过程,具体过程如图1-3所示,这个过程步骤繁多,还是一个大循环的过程,这样的过程是不能满足现在这个什么都讲究效率的时代的,这完全不能得到高质量的产品,关键是还要浪费很多的时间与金钱。
可是自从有了虚拟样机这门技术,在研究阶段可以先建立虚拟样机,通过对样机的测试与修改,找出和发现样机存在的问题,这样做就能缩短产品开发周期,其过程如图1-4所示,这样不仅节省时间和成本,还可以大大地提高产品质量。
图1-3传统的产品开发过程
图1-4产品开发周期
虚拟样机技术有时候也需要和其他相关技术相结合才能发挥它最大的用处,就好比在进行机械系统运动学和动力学分析时,就需要这么做。
这样能够完全发挥这类分析软件的优势,机械系统计算机辅助工程(MCAE)软件是很有用的,所以虚拟样机软件还是很希望这类软件的。
图1-5给出了虚拟样机技术的相关技术:
图1-5虚拟样机及其相关技术
1.4动力学软件ADAMS简介
ADAMS全称是AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem,这是一款机械系统动力学仿真分析软件,由美国MDI(MechanicalDynamicsInc.)公司开发。
通过用其软件中力库和约束库、零件库、交互式图形环境,可以搭建一个全参数化的机械系统几何模型,拉格朗日方程方法是它的求解器所运用的理论。
对虚拟机械系统进行运动学、静力学、以及动力学分析,建立系统的动力学方程,输出加速度、反作用力曲线、位移和速度。
ADAMS软件运用的领域很广,可用于运动范围、预测机械系统的性能、峰值载荷、碰撞检测等等,还可以运用于计算有限元的输入载荷等。
ADAMS软件中有很多个模块,所以在装这个软件的时候,要根据自己要用的模块选择性安装,不需要全部装完所以的模块,一来浪费时间,而来浪费内存,还弄得整个电脑桌面都是图标,所以要注意这个问题。
本课题研究只要用到它的一个核心模块ADAMS/View和ADAMS/Controls(控制模块)。
所以安装的时候只需安装这两个模块即可。
ADAMS/View(界面模块)是以用户为中心的交互式图形环境,它提供丰富的零件几何图形库、约束库和力库,将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X`Y曲线图处理、结果分析和数据打印等功能集成在一起。
1.5控制工程中的PID控制概述
PID控制器也就是我们常说的PID调节器和PID校正装置。
其中P表示比例,I表示的是积分,D表示微分。
它是出现得比较早的控制策略。
它的控制器只要也是围绕着这三个要素展开,例如有积分控制、比例控制、比例微分控制、比例积分控制、和比例积分微分控制等。
PID控制器参数整定的方法主要可以分为理论计算和工程整定方法。
理论计算即依据系统数学模型,经过理论计算来确定控制器参数;工程整定方法是按照工程经验公式对控制器参数进行整定。
这两种方法所得到的控制器参数,都需要在实际运行中进行最后调整和完善。
PID控制器的主要优点有:
原理简单,应用方便,参数整定灵活;适用性强,在不同生产行业或领域都有广泛应用;鲁棒性强,控制品质对受控对象的变化不太敏感。
如受控对象受外界扰动时,无需经常改变控制器的参数或结构;在科学技术迅速发展的今天,出现了许多新的控制方法,但PID由于其自身的优点仍在工业过程控制中得到最广泛的应用。
典型的PID控制器结构框图如图1-6所示。
图1-6典型的PID控制器结构框图
由图可见,PID控制器是通过对误差信号e(t)进行比例、积分或微分运算和结果的加权处理,得到控制器的输出U(t),作为控制对象的控制量。
目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。
同时,控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。
智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。
自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。
一个控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。
控制器的输出经过输出接口、执行机构,加到被控系统上;控制系统的被控量,经过传感器,变送器,通过输入接口送到控制器。
不同的控制系统,其传感器、变送器、执行机构是不一样的。
比如压力控制系统要采用压力传感器。
电加热控制系统的传感器是温度传感器。
1.6数学软件Matlab/Simulink简介
Simulink是一个用来建模、仿真和分析动态系统的软件包。
它基于MAT
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