立面爬行机器人是机器人学科中的一个重要分支,由于其能够立面吸附、移动从而完成相应立面作业的功能,因此在工业领域中得到了广泛应用,立面爬行机器人对罐体检测、高楼清洗等行业均具有重大的意义。爬行机器人的定位、运动控制和路径规划对于提升工作效率、减少人工强度具有重要的指导作用。本文针对一类小型立面爬行机器人,通过传感器和通讯技术,实现了其在垂直壁面上的自主定位及轨迹跟踪。本文的主要研究内容如下:(1)建立了基于无瞬心移动的履带式立面爬行机器人动力学模型及运动学模型。结合运动学模型及动力学模型,设计了相应轨迹跟踪控制算法。其中对运动学模型,采用反演控制算法,得到速度与角速度控制律。考虑到建模误差及外界干扰影响会造成立面爬行机器人位姿偏差,在算法中引入了以改进型非线性干扰观测器为前馈控制的动力学控制器。其中,改进型非线性干扰观测器用以削弱外界干扰影响,动力学模型采用滑模控制算法并利用Lyapunov方程验证了该算法的稳定性。最终,通过与无干扰观测器的控制算法比较,仿真结果表明该算法具有良好的跟踪精度,并且提高了抗干扰性。(2)建立了基于瞬心移动的履带式立面爬行机器人动力学模型及运动学模型。根据动力学模型得到偏移量的关系式,其中偏移量与爬行机器人实时位姿、速度等相关。根据运动学模型建立基于偏移量的运动学方程。为得到机器人轨迹跟踪控制规律,通过链式系统的反演控制得到相应控制律,利用Lyapunov方程验证了该控制律的稳定性。仿真结果验证了控制算法的有效性。(3)根据定位精度要求确定定位方案,提出了基于扩展卡尔曼滤波的定位算法。针对单一传感器定位精度不足的问题,选取姿态传感器JY61作为相对定位传感器,激光雷达Rplidar A3作为绝对定位传感器,进行融合定位,提高机器人定位精度。对选取的传感器建立定位数学模型。采用扩展卡尔曼滤波算法对姿态传感器与激光雷达的数据进行融合定位,解决了立面爬行机器人定位问题。(4)提出立面爬行机器人系统的整体设计方案。根据微型化要求选取相应硬件,搭建起立面爬行机器人的硬件平台。以STM32作为下位机主控器,对立面爬行机器人的功能设计相应软件程序,实现机器人的定位与轨迹跟踪控制。设计了无线通信模块,实时传送立面爬壁机器人的当前位置和姿态等信息,实现了系统的整体集成。