华北电力大学打造自适应悬挂四轮移动机器人 复杂地形稳定性出色
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目前 ， 移动机器人在不同驱动环境和性能要求下 ， 展现出了多样化的结构设计 。 主流移动机器人包括轮式、履带式、足式以及混合式几大类 ， 但轮式机器人结构简单 ， 运行速度快、操作效率高 ， 负载大 ， 且整体制造成本更低 ， 因而受到市场更多关注 。 不过传统轮式机器人在复杂地形下底盘姿态不够稳定 ， 一定程度上影响了机器人行驶能力 。
近日 ， 华北电力大学控制与工程学院的研究团队在《Field Robotics》期刊上发表了一篇最新研究成果 。 该论文标题为《Four-Wheeled Mobile Robot With Flexible Posture Control》 ， 团队提出了一种配备自适应悬挂系统的四轮移动机器人 ， 能够有效解决机器人在复杂地形下行驶时的稳定性问题 。 该研究的核心在于研究团队将目光转向了悬挂系统 。
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传统的民用车辆大多采用被动式机械弹簧阻尼减震器 ， 动态性能表现并不理想 。 近几年主动悬挂系统在提高车辆行驶平顺性方面展现出了明显优势 ， 但庞大的伺服液压系统并不适用于小型移动机器人 。 因此如何研发一款小型移动机器人适配的自适应悬挂系统 ， 提高小型移动机器人在复杂地形下的行驶稳定性和动态响应性能显得尤为重要 。
产品设计图纸和尺寸
华北电力大学控制与工程学院研究团队采用创新的自适应悬挂系统 ， 该系统由无刷减速电机驱动 ， 彻底摒弃了传统的机械减震器 ， 同时为了解决四轮系统中由于路面不平导致的振动和倾斜问题 ， 研究团队还设计了一种虚拟弹簧阻尼系统 。 该系统通过力控制来模拟传统弹簧阻尼减震器的效果 ， 确保所有车轮同时与地面接触 ， 同时吸收多余的振动能量 。 虚拟弹簧确保车轮与地面有足够的牵引力 ， 而虚拟阻尼则依靠车身惯性来过滤高频振动 。 研究人员表示 ， 通过该设计 ， 能够有效提高系统的响应速度 ， 避免传统机械减震器的非线性问题 ， 使得控制更加精准高效 。
自适应悬挂系统四轮移动机器人设计原型
此外 ， 研究人员还提出引入了一种灵活的姿态控制策略 。 该策略以底盘姿态作为反馈 ， 通过线性化处理提高了系统的动态响应 。 姿态控制分为内外两个闭环控制：内环采用虚拟弹簧阻尼控制 ， 确保车轮与地面的稳定接触；外环则根据底盘姿态的反馈调整虚拟弹簧的零点位置 ， 从而实现对底盘姿态的精确控制 。
四轮移动机器人电路原理图
为了进一步优化控制系统的动态响应 ， 研究人员对姿态控制中的非线性干扰进行了反馈线性化处理 。 通过引入静态增益补偿 ， 消除了电机输出与底盘姿态之间的非线性关系 ， 使得控制系统在不同工作条件下都能保持稳定的性能 。
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为了验证所提出技术的有效性 ， 研究团队在三种不同的模拟道路上进行了实验 ， 包括平坦道路、复杂道路和含7°斜坡的道路 。 实验结果显示 ， 在仅采用虚拟弹簧阻尼控制的情况下 ， 机器人的四轮能够同时触地 ， 对角度控制起到了滤波作用 ， 降低了角度变化率 。 然而 ， 在静态情况下 ， 虚拟弹簧阻尼控制无法减小角度变化的幅度 。 当加入悬挂自适应控制后 ， 底盘角度变化显著减小 ， 验证了灵活姿态控制的有效性 。
减震器系统及其简化模型
【华北电力大学打造自适应悬挂四轮移动机器人 复杂地形稳定性出色】
虚拟弹簧阻尼控制
此外研究人员进一步测试线性化控制对动态响应的影响 ， 详细记录了机器人跨越楼梯边缘时的动态变化 。 结果显示 ， 在没有线性化控制的情况下 ， 机器人前后悬挂的高度差异导致前轮产生了显著波动 ， 且这种波动在前轮完全接触地面后仍然存在 ， 一定程度上影响了系统的稳定性 。 而加入线性化控制后 ， 系统的动态响应得到了很大地改善 ， 波动明显减小 。
四轮移动机器人爬楼梯动作拆解
驶过楼梯时线性化的实验结果
在复杂的户外环境中 ， 研究团队对机器人进行了综合测试 ， 测试环境包括随机地形、斜坡、碎石和土块等路况 。 机器人在该路线上行驶了总共10米 ， 速度提升至0.2米/秒 。 测试分为两组进行：一组采用无悬挂控制 ， 另一组则采用灵活姿态控制 。
室外道路综合测试
x轴的实验结果
y轴的实验结果
从实验结果来看 ， 在相同条件下 ， 与无悬挂控制相比 ， 灵活姿态控制使机器人在X轴和Y轴上的角度变化分别减少了93.1%和87.5% ， 有效提高了机器人在复杂地形下的行驶稳定性 。
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研究人员表示 ， 这种通过自适应悬挂系统和灵活的姿态控制策略结合 ， 四轮移动机器人展现出巨大的商业潜力 ， 在交通运输领域 ， 该机器人能够轻松应对不平坦的道路和复杂的地形 ， 确保货物或乘客的安全运输 。 其稳定的底盘姿态和出色的越障能力 ， 使得机器人能够在恶劣天气或偏远地区执行运输任务 ， 极大提高了运输效率和安全性 。
在视频拍摄领域 ， 机器人能够保持稳定的拍摄姿态 ， 为摄影师提供清晰的画面和稳定的视角 。 通过实际测试 ， 自适应悬挂系统的四轮移动机器人能够穿越复杂地面 ， 无论是在山地、沙漠还是城市街道 ， 机器人都能根据地形调整车轮高度和底盘姿态 ， 确保拍摄画面的稳定性 。
热力管道隧道检测及其应用电路
在环境监测和灾害救援等任务中 ， 搭载自适应悬挂系统的四轮移动机器人能够进入人类难以到达的区域进行监测和救援工作 。 在地震、洪水等自然灾害发生后 ， 机器人可以迅速响应 ， 为救援人员提供宝贵的信息和支持 。
除特种领域外 ， 该机器人还能应用于农业、林业等领域的巡视和检测任务 。 其灵活的车轮和悬挂系统使得机器人能够在复杂的自然环境中自由穿梭 ， 对作物生长、病虫害情况进行实时监测 ， 提高农业生产效率和资源利用率 。
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华北电力大学控制与工程学院打造的自适应悬挂系统四轮移动机器人 ， 通过创新设计虚拟弹簧阻尼系统和灵活姿态控制算法 ， 并结合反馈线性化技术 ， 实现了机器人在复杂地形下的行驶稳定性和动态响应性能 ， 未来该系统有望在更多轮式移动机器人上得到普及与应用 ， 进入更加丰富的商用落地场景 。
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