兩輪自平衡移動(dòng)機(jī)器人建模與控制研究.pdf

1、輪式倒立擺是一類(lèi)欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),它被廣泛地應(yīng)用在自主移動(dòng)機(jī)器人和智能小型交通工具上,其動(dòng)力學(xué)模型具有不穩(wěn)定、多變量、強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性等特點(diǎn),是檢驗(yàn)控制方法有效性的重要平臺(tái)。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小,可以在狹小、危險(xiǎn)以及人無(wú)法到達(dá)的環(huán)境運(yùn)動(dòng),因此基于輪式倒立擺的移動(dòng)機(jī)器人在民用、工業(yè)、軍事、航天航空中都有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文研究了輪式倒立擺的結(jié)構(gòu),在非完整約束情況下建立其在平坦地面上運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型,并實(shí)現(xiàn)輪式倒立擺的平衡點(diǎn)控制和速

2、度控制。在此基礎(chǔ)上,提出一種基于輪式倒立擺的新型座椅自平衡兩輪機(jī)器人,它本質(zhì)上是一類(lèi)兩輪自平衡移動(dòng)機(jī)器人。它的下體部分是由兩個(gè)同軸、左右平行分布的車(chē)輪的傳統(tǒng)輪式倒立擺構(gòu)成;上體由直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的可移動(dòng)座椅組成。主體結(jié)構(gòu)類(lèi)似于輪式倒立擺系統(tǒng),但它優(yōu)于輪式倒立擺系統(tǒng),具有更多的運(yùn)動(dòng)自由度。車(chē)體的重心在兩個(gè)車(chē)輪的上方,通過(guò)可移動(dòng)座椅運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自平衡。該移動(dòng)機(jī)器人作為個(gè)人交通工具,具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠與其他座椅自平衡兩輪機(jī)器人共用一個(gè)

3、車(chē)道或車(chē)位、低排放等特點(diǎn),特別適合狹小空間的運(yùn)載操作。與已有的基于輪式倒立擺的個(gè)人交通工具等相比,座椅自平衡兩輪機(jī)器人增加的可移動(dòng)座椅,解決了駕駛者在行駛過(guò)程中的疲勞問(wèn)題。
　　本文在分析新型座椅自平衡兩輪機(jī)器人的發(fā)展和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)該機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu),計(jì)算得到機(jī)器人各部分的動(dòng)能、勢(shì)能和耗散能,再采用拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程的方法建立了座椅自平衡兩輪機(jī)器人在平坦路面和不平坦路面上運(yùn)動(dòng)的二維動(dòng)力學(xué)模型,進(jìn)一步得到了其在平坦地面上運(yùn)動(dòng)的三

4、維動(dòng)力學(xué)模型。在這些模型的基礎(chǔ)上,計(jì)算得到該機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平衡點(diǎn),通過(guò)設(shè)計(jì)LQR控制器和滑?？刂破?實(shí)現(xiàn)了其在直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和拐彎運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度控制。為了改進(jìn)速度控制的性能,進(jìn)一步提出了一種改進(jìn)的滑?？刂品椒?使座椅自平衡兩輪機(jī)器人在速度控制過(guò)程中收斂到期望值的速度更快。
　　為了驗(yàn)證理論分析,本文分別在MATLAB和動(dòng)態(tài)物理引擎ODE仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了輪式倒立擺和座椅自平衡兩輪機(jī)器人的控制。ODE是一個(gè)典型的三維多物體動(dòng)態(tài)仿真引擎,