（机械电子工程专业论文）optimal+force+distribution+and+robustness+analysis+of+wheeled+mobile+robot+based+on+multyobjective+optimization.pdf

o p t i m a lf o r c ed i s t r i b u t i o na n dr o b u s t n e s sa n a l y s i so fw h e e l e dm o b i l er o b o tb a s e do nm o o 摘要 力分布及鲁棒性分析是崎岖地面上轮式移动机器人研究的一个组成部分。针对崎岖 地面上的轮式机器人的三维力分布，本文提出了一种力分布的准静态力分析方法。该理 论考虑了机器人在崎岖环境下所容许的最大切应力和内摩擦角，以避免车轮过度的打滑。 在m a t l a b 软件环境下，本文进行了针对典型地面的三维力分布的多目标优化，优化过程 中主要以机器人的能量消耗和牵引力为目标函数。 多目标优化方法用来获得在机器人牵引力和能耗方面的准静态力分布联立的方程 组的解。在车轮与地面之间引入了地面力学模型，包括不同类型的约束条件。 在典型三维地面模型上进行了仿真验证。力分布由于其在崎岖地面中重要的控制性， 成为在自主机器人中所主要关注的。一种多目标进化算法，用来获得最好的解集，通过 最小化电机的能量和平均等效摩擦系数来保证最小的滑移。 p a r e t o 最优解的鲁棒性作为主要而被关注。由于不同的地形特性，如土壤凝聚力( c ) 、 剪切变形模量( 尼) 和内部摩擦角( ) 作为噪声导致而得到不同p a r e t o 解。可以发现， 来自轮地特性的噪声c ，k 和的值大2 时对结果敏感性产生较大的影响，而且在p a r e t o 解的前沿f r o n t 较小处的解比较大斜率处的接的鲁棒性更好，该标准可以用于控制算法 和控制系统的设计，是一种从p a r e t o 解中选择一个非劣解的可行准则之一。 关键词：力分布；多目标优化；鲁棒性；p a r e t o 最优解；移动机器人 a b s t r a c t f o r c ed i s t r i b u t i o na n dr o b u s t n e s sa n a l y s i si sa ni n t e g r a lp a r to fr e s e a r c hf i e l do fw h e e l e d m o b i l er o b o tr e s e a r c hi nr o u g ht e r r a i n as e to fq u a s i s t a t i cf o r c ea n a l y s i sm e t h o do ff o r c e d i s t r i b u t i o ni sp r o p o s e db a s e do nt h r e e d i m e n s i o n a lf o r c eo ft h ew h e e l e dr o b o to nt h er o u g h g r o u n ds u r f a c e a n a l y s i sh a sb e e nc o n d u c t e df o rt h ew h e e l e dm o b i l er o b o to nr o u g hg r o u n d w i t hc o n s i d e r a t i o no ft h em a x i m u ma l l o w a b l es h e a rf o r c ea n dt h ei n t e m a lf r i c t i o na n g l eo ft h e t e r r a i n t h ea l g o r i t h mt r i e st oa v o i de x c e s s i v es l i p as i m u l a t i o ns t u d yi nm a t l a bs o f t w a r ei s c a r r i e do u ti nat y p i c a lt h r e ed i m e n s i o n a lt e r r a i ne n v i r o n m e n tw i t h r e g a r dt ot h ep o w e r c o n s u m p t i o no fm o t o r sa n df o r c e so fr o b o tw i t hr e l a t e dc o n s t r a i n t s m u l t i o b je c t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o di su s e dt oo b t a i nt h es o l u t i o no ft h es i m u l t a n e o u s e q u a t i o n so fu n d e r - m i n e dq u a s i - s t a t i cf o r c ed i s t r i b u t i o ni nt e r m so fr o b o t st r a c t i o na n de n e r g y c o n s u m p t i o n t e r r a m e c h a n i c sm o d e li s i n t r o d u c e db e t w e e nt h ew h e e la n dt h e g r o u n d i n c l u d i n gd i f f e r e n tt y p e so fc o n s t r a i n t s s i m u l a t i o ni s e m p l o y e d o nt h e t y p i c a l t h r e e d i m e n s i o n a lt e r r a i nm o d e l f o r c e d i s t r i b u t i o ne m e r g e da sam a jo rc o n c e mi n t h ec a s eo fa u t o n o m o u sr o b o td u et oi t si m p o r t a n c e o fc o n t r o li nr o u g ht e r r a i n ak i n d o fm u l t i o b j e c t i v e e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h ms u c ha s m i n i m u m - m a x i m u ma p p r o a c h e sw a su s e dt oo b t a i nt r a d e - o f fs o l u t i o ns e t ，w h i c hm i n i m i z e d m o t o re n e r g ya l o n gw i t ht h em a x i m i z a t i o no ft h es m a l l e s tm e a ne q u i v a l e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n t w h i c hc a ne n s u r et h es m a l l e s ts l i p p a g e r o b u s t n e s st o w a r d sp a r e t oo p t i m a ls o l u t i o ns e tw a sa n a l y z e da sam a j o rc o n c e m f u r t h e r m o r ed i f f e r e n tp a r e t of r o n t sw e r eo b t a i n e dw i t hd i f f e r e n tp e r c e n t a g eo fn o i s ei n d u c e d i n t ot h et e r r a i nc h a r a c t e r i s t i c sm a i n l yc a u s e db ys o i lc o h e s i o n ( c ) ，s h e a rd e f o r m a t i o nm o d u l u s ( 幼a n di n t e m a lf r i c t i o na n g l e ( ) r e s p e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a tt h en o i s ei n t e n s i t yf r o mt e r r a i n c h a r a c t e r i s t i c sn a m e l yeka n d0o f 2 i m p a c t sg r e a t e ri nt h es o l u t i o nq u a l i t ys h o u l db e t a k e na sl e s sr o b u s ts o l u t i o na n dc a nb ei m p l e m e n t e dt ot h ec o n t r o la l g o r i t h mt od e s i g n c o n t r o ls y s t e md e s i g na n di tc a nb eam e t r i ct os e l e c to n en o n d o m i n a t e ds o l u t i o n sa m o n gt h e p a r e t os o l u t i o n ss e ta l o n gt h ep a r e t of r o n t s k e y w o r d s ：f o r c ed i s t r i b u t i o n ；m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ；r o b u s t n e s s ；p a r e t oo p t i m a l s o l u t i o n s ；m o b i l er o b o t l i s to ff i g u r e s f i g u r e1 1t h e b a s i ce l e m e n t so f am e c h a t r o n i cs y s t e m 4 f i g u r e1 2p r o em o d e lo f w m r 5 f i g u r e1 3 ( a ) s t a n f o r dc a r t ( b ) s h a k e y ( c ) m o r a v e c 6 f i g u r e1 4f i v ec a r s ( a ) 一( e ) ：v o l k s w a g e no f s t a n f o r d ，h u m m e ro f c m u 6 f i g u r e1 5d i c k m a n n s f a m o u ss - c l a s sc a r s ( a ) - ( e ) 6 f i g u r e1 6d i f f e r e n tt y p e so fa u t o n o m o u sh e a v yv e h i c l e s ( a ) - ( c ) 6 f i g u r e1 7d i f f e r e n tt y p e so f r o v e rd e v e l o p e db yn a s a ( a ) 一( c ) 7 f i g u r e1 8b a s i cf l o wo f r e s e a r c hw o r k 9 f i g u r e2 1g e n e t i ca l g o r i t h m 1 8 f i g u r e3 1c o n c e p to f r o b u s t n e s sf o rm u l t i - o b j e c t i v ef u n c t i o n 1 9 f i g u r e3 2c l a s s i f i c a t i o no f m u l t i o b j e c t i v em e t h o d s 2 1 f i g u r e3 3f r a m e w o r kf o rm o e a 2 4 f i g u r e3 4o p t i m a lp a r e t of r o n t i e rv e r s u sr o b u s tp a r e t of r o n t i e r 2 6 f i g u r e3 5i l l u s t r a t i o no ft h er e l a t i o n s h i po f ( a ) p a r e t od o m i n a n c eo fc a n d i d a t es o l u t i o n s r e l a t i v et os o l u t i o na a n d ( b ) t h ea p p r o x i m a t i o ns e t ，p f aa n dt h et r u ep a r e t of r o n t ，p f + 2 8 f i g u r e3 6p e r f o r m a n c et r a c eo f g df o rz d t l 3 2 f i g u r e3 7p e r f o r m a n c et r a c eo fg df o rz d t 4 3 3 f i g u r e3 8p e r f o r m a n c et r a c eo f g df o rz d t 6 3 3 f i g u r e3 9p e r f o i t n a n c et r a c eo f g df o rk u r 3 4 f i g u r e4 1 ( a ) t h em o d e lo fw m r ( b ) t e s tb e dw i t hw m r a tt h eh a r b i ne n g i n e e r i n g u n i v e r s i t y 3 5 f i g u r e4 2s a e v e h i c l ea x i ss y s t e m 3 6 f i g u r e4 3 ( a ) r o t a t i o no nc o n t a c tf r a m e ( b ) i n c r e m e n t a lr o t a t i o nb yr o l l i n ga n ds l i p 3 9 f i g u r e4 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f w m ra n dt r a n s f o r m a t i o nc o o r d i n a t es y s t e m 4 0 f i g u r e4 5t r a n s f o r m a t i o ng r a p h 4 0 f i g u r e4 6f o r c e sa c t i n go nar o b o tw h e e la tt h ep o i n to fc o n t a c t 4 1 f i g u r e4 7w h e e l - g r o u n di n t e r f a c eo n u n e v e nt e r r a i n 4 2 f i g u r e4 8e u c l i d e a nv e c t o rf o r c er e p r e s e n t a t i o n 4 2 f i g u r e4 9r i g i dw h e e l so nd e f o r m a b l et e r r a i n 4 3 f i g u r e5 1t e r r a i nu s e di ns i m u l a t i o ns t u d y 4 9 t 1 一。一 f l g u r e5 2l y p i c a lr o u g ht e r r a i n 5 0 m a s t e r sd e 伊e ed i s s e r t a t i o no fh a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y f i g u r e5 3p l o to f w h e e lo d o m e t r yd i s t a n c ev s t r a c t i v ef o r c eo f a l lw h e e l s 5 0 f i g u r e5 4p l o to f w h e e lo d o m e t r yd i s t a n c ev s 1 a t e r a lf o r c eo fa l lw h e e l s 51 f i g u r e5 5p l o to f w h e e lo d o m e t r yd i s t a n c ev s 1 a t e r a lf o r c eo fa l lw h e e l s 5 2 f i g u r e5 6s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 5 4 f i g u r e5 7m e a s u r e da n dp r e d i c t e dd r a w b a rp u l l 5 7 f i g u r e5 8d r a w b a rp u l lv e r s e sw h e e lo d o m e t r yd i s t a n c e 5 8 f i g u r e5 9p a r e t of r o n t so f d i f f e r e n tp o p s i z e sa n df r a c t i o n sf o rp o w e ra n dd p 5 8 f i g u r e5 1 0p a r e t of r o n t so f d i f f e r e n tp o p s i z e sa n df r a c t i o n sf o rp o w e r a n dn o r m a ll o a d 5 9 f i g u r e5 1 1p a r e t of f o m so f d i f f e r e n tn o i s el e v e l sf o rp o w e ra n dd p 5 9 f i g u r e5 1 23 dv i e wo f p a r e t of r o n t so f d i f f e r e n tn o i s el e v e l sf o rp o w e ra n dd p 6 0 f i g u r e5 13p a r e t of r o n t so fd i f f e r e n tn o i s el e v e l sf o rp o w e ra n dn o r m a ll o a d 6 0 、 f i g u r e5 1 43 dv i e wo f p a r e t of r o n t so f d i f f e r e n tn o i s el e v e l sf o rp o w e r a n dn o r m a ll o a d 6 1 f i g u r e5 1 5c o n c e p t u a ld i a g r a mo f r o b u s tm o t i o nc o n t r o ls y s t e md e s i g n 6 3 f i g u r e5 1 6p l o to f p o w e rv s d pb ym o n t e c a r l om e t h o dw i t hr e g r e s s i o np l o t 6 5 f i g u r e5 1 7h i s t o g r a mo f p o w e ra n dd p 6 6 f i g u r e5 1 8p l o to f p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o no f p o w e r a n dd p 6 6 f i g u r e5 1 9t i m es e r i e sm o n t ec a r l os i m u l a t i o n sf o rp o w e ra n dd p 6 7 o p t i m a lf o r c ed i s t r i b u t i o na n dr o b u s t n e s sa n a l y s i so fw h e e l e dm o b i l er o b o tb a s e do n m o o l i s to ft a b l e s t a b l e3 1o v e r v i e wo f m a t l a bp r o g r a m 2 5 t a b l e3 2t e s tp r o b l e m s 3 0 t a b l e3 3p a r a m e t e rs e t t i n g 31 t a b l e3 4p r o b l e md e f i n i t i o n s 3 2 t a b l e5 1t h eb a s i cs p e c i f c a t i o n so f t h ew h e e l e dm o b i l er o b o t 5 3 t a b l e5 2s p e c i f i c a t i o n so f t h em o b i l er o b o t 5 5 t a b l e5 3w h e e l t e r r a i np a r a m e t e r 5 6 t a b l e5 4p a r a m e t e rs e t t i n go f t h es i m u l a t i o ns t u d y 5 7 t a b l e5 5s a m p l ep a r e t os o l u t i o n sf o rp o w e ra n dd r a w b a rp u l lw i t h o u tn o i s e 6 2 t a b l e5 6s a m p l ep a r e t os o l u t i o n sf o rp o w e ra n dn o r m a ll o a dw i t h o u t n o i s e 6 2 t a b l e5 7s a m p l ep a r e t os o l u t i o n si nd i f f e r e n tn o i s el e v e l s 一6 2 p ( 1 ) x n x & p f 卑 p s 卑 p f a g ( x d 2 ) 办( z ，g ) 仅 岱 y x r z r 屯，晚r g r 。d 丁 i 口 6 i n o m e n c l a t u r e p a r a m e t e r s p o p u l m i o no fi n d i v i d u a l sf o rg e n e r a t i o nt s e to fo b je c t i v e st ob em i n i m i z e d u n c e r t a i n t i e sa s s o c i a t e dw i t hx u n c e r t a i n t i e sa s s o c i a t e dw i t he n v i r o n m e n t p a r e t oo p t i m a lf r o n t p a r e t oo p t i m a ls e t p a r e t oa p p r o x i m a t i o ns e t p r o b l e md i 街c u l t i e sf u n c t i o n s h a p eo f p a r e t of r o n t y a w p i t c h r o n p o s i t i o nv e c t o r o r i e n t a t i o nv e c t o r t e r r a i nf r a m e ，r e f e r e n c ef r a m e ，m i d d l ep o i n tf r a m eo fd i f f e r e n t i a lm e c h a n i s m m i d d l ep o i n tf r a m eo ft h ea x i so fd i f f e r e n t i a lm e c h a n i s m r o c k e ra n g l e s w h e e lr o t a t i o na n g l e 旷，矿y ，v 2 v e l o c i t yc o m p o n e n t si nx ，ya n d zd i r e c t i o n s e ，e m 形丁矿 日 f o r c ea l o n gxa n dyd i r e c t i o n m o m e n ta b o u tzd i r e c t i o n v e r t i c a ll o a d ，t o r q u e ，l i n e a rs p e e d t h ea r b i t r a r ya n g u l a rl o c a t i o no ft h ew h e e l - t e r r a i nc o n t a c t m e a s u r e d f r o mav e r t i c a la x i s a p p r o a c ha n g l e d e p a r t u r ea n g l e r a d i a ls t r e s sn o r m a lt ot h ew h e e l t e r r a i nc o n t a c tq 包1 3 o p t i m a lf o r c ed i s t r i b u t i o na n dr o b u s t n e s sa n a l y s i so fw h e e l e dm o b i l er o b o tb a s e do nm o o fs h e a rs t r e s st a n g e n tt ot h ew h e e l t e r r a i nc o n t a c t r w h e e lr a d i u s b晒e e lt r e a d c o a n g u l a rv e l o c i t yo ft h ew h e e l vf o r w a r dv e l o c i t yo ft h ew h e e l z s i n k a g eo ft h ew h e e lu n d e rt h et e r r a i ns u r f a c e 吒t h e a n g l ea tw h i c hm a x i m u ms t r e s so c c u r s 0 1 t h er a d i a ls t r e s sp r o f i l eb e t w e e n0 la n d0 m 0 2 t h er a d i a ls t r e s sp r o f i l eb e t w e e n 眈a n d0 2 c 驴 k m i n s t z d t f o n k u r m o p n s g a d p g d w m r d t l z s p e a h m h e u s a e m o e a s o i lc o h e s i o n i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e s h e a rd e f o r m a t i o nm o d u l u s m i n i m i z a t i o n a c r o n y m s s u b j e c tt o z i t z l e r - d e b t h i e l e f o n s e c at e s tf u n c t i o n k u r s a w et e s tf u n c t i o n m u l t i - o b j e c t i v ep r o b l e m n o n - d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h mi i d r a w b a rp u l l g e n e r a t i o n a ld i s t a n c e 晒e e l e dm o b i l er o b o t d e bl a u m a n n sm e l e z i t z l e r s t r e n g t hp a r e t oe v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m h a r m o n ym e m o r y h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y s o c i e t yo f a u t o m o t i v ee n g i n e e r s m u l t i o b je c t i v ee v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n t h et e r mm e c h a t r o n i c sw a s i n v e n t e d b yaj a p a n e s ee n g i n e e ri n19 6 9 i th a sa c o m b i n a t i o no f m e c h a f r o mm e c h a n i s m sa n d t r o n i c s f r o me l e c t r o n i c s i t sw i d e rm e a n i n g ， b e i n gu s e dt od e s c r i b eap h i l o s o p h yi ne n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi nw h i c ht h e r ei sac o o r d i n a t e d ， a n dc o n c u r r e n t l yd e v e l o p e d ，i n t e g r a t i o no fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gw i t he l e c t r o n i c sa n d i n t e l l i g e n tc o m p u t e rc o n t r o li nt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fp r o d u c t sa n dp r o c e s s e s t h a ti s t h ec a u s e m e c h a t r o n i cp r o d u c t sh a v em a n ym e c h a n i c a lf u n c t i o n sr e p l a c e dw i me l e c t r o n i c s o n e t h i sr e s u l t si nm u c hg r e a t e rf l e x i b i l i t y , e a s yr e d e s i g na n dp r o g r a m m i n g ，a n dt h ea b i l i t yt o c a r r yo u ta u t o m a t e dd a t ac o l l e c t i o na n dr e p o r t i n g 【1 1 am e c h a t r o n i cs y s t e mi sn o tj u s tam a r r i a g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a ls y s t e m sa n di s m o r et h a nj u s tac o n t r o ls y s t e m ；i ti sac o m p l e t ei n t e g r a t i o no fa l lo ft h e mi nw h i c ht h e r ei sa c o n c u r r e n ta p p r o a c ht ot h ed e s i g n i nt h ed e s i g no fh e a v yv e h i c l e s ，c a r s ，r o b o t s ，m e c h a n i c a l t o o l s ，w a s h i n gm a c h i n e s ，c a m e r a s ，a n dv e r ym a n yo t h e rm a c h i n e s ，s u c ha ni n t e g r a t e da n d i n t e r d i s c i p l i n a r ya p p r o a c h t o e n g i n e e r i n gd e s i g n i s i n c r e a s i n g l yb e i n ga d o p t e d t h e i n t e g r a t i o na n dc o m b i n a t i o na c r o s st h et r a d i t i o n a lb o u n d a r i e so fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ， e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ，e l e c t r o n i c sa n dc o n t r o le n g i n e e r i n gh a st oo c c u ra tt h ee a r l i e s ts t a g e so f t h ed e s i g np r o c e s si fc h e a p e r , m o r er e l i a b l e ，m o r ef l e x i b l e s y s t e m sa r et ob ed e v e l o p e d m e c h a t r o n i c sh a st oi n v o l v eac o n c u r r e n ta p p r o a c ht ot h e s ed i s c i p l i n e sr a t h e rt h a na s e q u e n t i a l a p p r o a c ho fd e v e l o p i n g ，f o ri n s t a n t ，am e c h a n i c a ls y s t e m ，t h e nd e s i g n i n gt h ee l e c t r i c a lp a r t a n dt h em i c r o p r o c e s s o r p a r t t h u sm e c h a t r o n i c s i sad e s i g np h i l o s o p h y , a ni n t e g r a t i o n a p p r o a c ht oe n g i n e e r i n g t h eo b j e c t i v eo ft h i st h e s i si sc o n c e m e dw i t hf o r c ed i s t r i b u t i o n a n a l y s i sw i t ht h e a p p l i c a t i o no fm u l t i - o b je c t i v eo p t i m i z a t i o n ( m o o ) f o rm o b i l er o b o t i nt h i sc h a p t e r , a f t e r m e n t i o n i n gt h ep r o b l e ms t a t e m e n t ，m o t i v a t i o na n dab r i e fd e s c r i p t i o no fw h e e l e dm o b i l er o b o t ， w ew i l lg i v et h es o l u t i o no ft h ep r o b l e mi ns u c haw a yt h a ta l l o w sas u c c e s s i o no f e x p l o r i n g r o b u s ts o l u t i o n st o w a r da p p l i c a t i o no fm o of o rw h e e l e dm o b i l er o b o to n r o u g ht e r r a i n 1 1p r o b l e ms t a t e m e n t r o b o t sa r ec o n s i d e r e da ss p e c i a li n v e n t i o nf o rb e t t e r q u a l i t yo fl i f ea n ds u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n tn o w a d a y s m a n yp r o b l e m sa r eo p t i m i z a t i o np r o b l e m s ，t h o s