智能制造关键技术与工业应用丛书--移动机器人系统：从理论到实践

（1）本书作者团队由长期从事机器人技术研究的高校教师和机器人研发公司的技术人员组成，具有坚实的理论基础和丰富的实践经验。 （2）对移动机器人系统的控制理论介绍比较深入，包括线性系统的状态控制、控制器设计、建模与反馈控制、无模型控制。 （3）系统地介绍了移动机器人系统的设计方法，包括机械系统、电气系统、控制系统，以及集中典型移动机器人的设计与控制。 （4）结合物流AGV、服务用移动机器人、电力巡检用移动机器人、消防用移动机器人，给出了实际案例，实用性较强。

移动机器人系统，是一个集环境感知、动态决策、行为控制等多功能于一体的综合系统，能代替人在危险或恶劣环境下进行作业，比一般机器人有更大的机动性和灵活性。它集成了机械工程、传感器技术、电子工程、自动化工程及人工智能等多学科的研究成果，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。
进入21 世纪之后，随着机器人技术的不断进步，移动机器人系统的应用范围不断扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛应用，而且在城市安全、国防和空间探测等领域得到不断推广。
本书从移动机器人的基础建模与控制理论、移动机器人系统的机械设计与系统开发，以及智能机器人系统的案例分析与研究实践等方面，系统性地阐述了移动机器人系统的相关关键技术，希望能够为相关领域内学习和研究移动机器人技术的人员提供丰富的分析设计方法与借鉴案例。
本书共包括理论篇、应用篇和实践篇三部分内容。
理论篇主要围绕移动机器人的运动建模、控制算法设计与应用等基础理论展开，从数学建模与分析的角度阐述移动机器人的关键理论，并针对几种典型移动机器人的控制算法进行设计与分析，以便读者能从理论层面更深入地理解移动机器人的运动控制方法。本篇的内容主要包括移动机器人的运动建模、线性系统状态控制、机器人控制器设计、典型移动机器人建模与反馈控制、典型移动机器人的无模型控制等。
应用篇主要围绕移动机器人的机械系统设计、控制系统搭建等应用设计展开，从系统设计与开发的角度阐述移动机器人的关键技术，并针对移动机器人系统中几种常用元器件进行详细分析说明，以便读者能够更好地理解和掌握移动机器人系统的设计方法。本篇的主要内容包括移动底盘机械系统设计、操作执行装置系统设计、移动机器人常用驱动电机、移动机器人传感检测系统、移动机器人通信系统等。
实践篇主要围绕几种典型的移动机器人应用案例展开，从案例分析与研究的角度阐述移动机器人的实践应用，其中包括本书作者亲自参与完成的移动机器人案例，以便读者能够系统性地理解移动机器人的相关理论与设计方法。本篇的主要内容包括轮式全向移动机器人系统分析、仿生步行机器人系统分析、消防救援机器人系统设计与分析等。
感谢在本书编写过程中给予帮助的燕山大学机械学院机械电子工程系的各位老师和同学们，若没有你们的辛苦付出，作者难以完成本书的撰写。感谢机器时代（北京）科技有限公司提供的各种移动机器人素材，为本书的撰写提供了大量的设计与分析案例。感谢在本书编写过程中给予帮助的所有人员。
限于作者经验与水平，书中难免有不足之处，敬请各位读者批评指正。

编著者

移动机器人系统是一种能在复杂环境下工作，具备自行组织、自主运行、自主规划能力的智能机器人系统，其融合了计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等。
本书以移动机器人系统为核心，从不同角度分别论述了移动机器人的基础建模与控制理论、移动机器人系统的机械设计与系统开发，以及移动机器人系统的案例分析与研究实践等内容。通过理论分析、系统设计与实践开发相结合的方式，系统性地阐述了移动机器人系统的关键技术。
本书将理论与实践紧密结合，内容深入浅出，具有较强的实践应用性。本书可为移动机器人系统相关领域的研究与技术人员提供丰富的建模理论、设计方法与分析案例，也可作为机械电子工程类相关专业的高年级本科生与研究生的教学参考书。

理论篇　移动机器人基础理论001
第1章 机器人运动建模002
1.1　旋转矩阵002
1.2　欧拉角006
1.3　移动机器人运动学模型009
1.4　移动机器人动力学模型010

第2章 线性系统状态控制011
2.1　线性系统的状态空间模型011
2.2　非线性系统的线性化013
2.3　线性系统的稳定性分析015
2.4　线性系统的状态反馈017

第3章 机器人控制器设计019
3.1　控制器极点配置019
3.2　线性系统的可控性022
3.3　线性系统的可观测性023
3.4　线性系统的控制器设计025

第4章 典型移动机器人建模与反馈控制027
4.1　PID 控制器027
4.2　双轮车建模与控制031
4.2.1　一阶模型与控制031
4.2.2　二阶模型与控制032
4.3　履带车重心偏移运动学与动力学建模034
4.3.1　履带车运动学模型建立034
4.3.2　履带车动力学模型建立039
4.4　三轮车建模与控制044
4.4.1　速度与转向控制044
4.4.2　位置控制046

第5章 机器人的无模型控制048
5.1　无人车的无模型控制048
5.1.1　方向和速度的比例控制器048
5.1.2　方向的比例- 微分控制器050
5.2　履带车的无模型控制051
5.2.1　基于反步法运动学控制器设计051
5.2.2　基于模糊控制的滑模控制器设计053
5.3　雪橇车的无模型控制055
5.3.1　轨迹驱动控制056
5.3.2　最大推力控制057


应用篇　移动机器人系统设计059
第6章 移动底盘机械系统设计060
6.1　移动底盘分类及运动特点060
6.2　底盘悬架设计064
6.3　底盘动力设计065
6.4　底盘通用性设计067
6.5　轮履可重构底盘设计069
6.6　轮腿可重构底盘设计071

第7章 操作执行装置系统设计074
7.1　机械臂装置系统设计074
7.2　机械臂装置的控制079
7.3　仿生软体抓持装置的设计085
7.3.1　径缩型封闭环软体抓持装置086
7.3.2　轴缩型封闭环软体抓持092

第8章 移动机器人常用驱动电机097
8.1　直流电机097
8.2　步进电机101
8.2.1　步进电机的基本原理102
8.2.2　步进电机的控制104
8.2.3　步进电机的基本特性与应用106
8.3　伺服电机110
8.3.1　直流伺服电机111
8.3.2　交流同步伺服电机116
8.3.3　伺服电机的控制应用119
8.3.4　伺服电机控制算法120
8.3.5　伺服电机的选择123

第9章 移动机器人传感检测系统126
9.1　位置检测传感器原理及应用126
9.1.1　里程计传感器原理与应用126
9.1.2　定位传感器原理及应用127
9.2　姿态检测传感器选型及应用127
9.3　姿态检测传感器原理及应用130
9.3.1　线位移检测传感器130
9.3.2　角位移检测传感器132

第10章 移动机器人通信系统136
10.1　机器人蓝牙通信136
10.2　机器人无线通信138
10.2.1　WiFi 通信139
10.2.2　机器人局域网通信140
10.3　机器人NRF 通信140
10.4　机器人ZigBee 通信146


实践篇　移动机器人案例分析149
第11章 轮式全向移动机器人系统分析150
11.1　轮式全向移动机器人底盘系统分析150
11.2　轮式全向底盘运动控制151
11.3　轮式全向机器人轨迹控制153

第12章 仿生步行机器人系统分析159
12.1　仿生步行机器人系统构建159
12.1.1　多足机器人结构分析159
12.1.2　多足机器人的发展现状163
12.2　仿生多足机器人行为控制168
12.3　仿生多足机器人步态规划173
12.4　仿人形机器人行为控制177

第13章 消防救援机器人系统设计与分析180
13.1　创新设计智能消防灭火机器人180
13.2　高效安全救援执行机构设计分析187
13.3　现实环境下消防救援机器人系统测试与评估190


参考文献196