基于學(xué)習(xí)控制的兩輪自平衡機器人姿態(tài)控制研究.pdf

1、兩輪自平衡機器人是一種本質(zhì)不穩(wěn)定的移動機器人。其動力學(xué)系統(tǒng)具有非線性、多變量、強耦合、參數(shù)不確定性等特性。它已經(jīng)成為了檢驗各種控制理論的理想平臺。兩輪自平衡機器人僅靠兩個輪子支撐車體,采用蓄電池提供動力,由兩個直流電動機驅(qū)動,采用姿態(tài)感知系統(tǒng)、通過姿態(tài)控制算法控制車體的平衡。它結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、適于在狹小的空間工作,有著廣泛的應(yīng)用前景。兩輪自平衡機器人能夠完成多輪機器人無法完成的復(fù)雜運動及操作,特別適用于工作環(huán)境變化大、任務(wù)復(fù)雜的場合

2、,如空間探索、地形偵察、危險品運輸?shù)?此外,還可以用于玩具、教育和服務(wù)機器人等領(lǐng)域。因此開展兩輪自平衡機器人的研究有著重要的理論及現(xiàn)實意義。
　　 本文對兩輪自平衡機器人國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)和歸納。依據(jù)假定的理想條件和對兩輪自平衡機器人運動規(guī)律的分析,使用拉格朗日法建立了機器人的動力學(xué)模型,并推導(dǎo)出姿態(tài)平衡的最大可控角度,為兩輪自平衡機器人姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　 本文提出了兩輪自平衡機

3、器人的構(gòu)建方案,設(shè)計了兩輪自平衡機器人的機械結(jié)構(gòu)。為了確定機器人的平衡的運動姿態(tài),設(shè)計了以硅微加速計和硅微陀螺為傳感器的姿態(tài)感知系統(tǒng),可提供機器人傾角和角速度信號以監(jiān)測機器人的運動姿態(tài);構(gòu)建了基于FPGA的兩輪自平衡機器人姿態(tài)控制系統(tǒng)。
　　 硅微加速計和硅微陀螺是姿態(tài)感知系統(tǒng)的主要傳感器,它們的精度直接影響著整個系統(tǒng)精度和性能。硅微慣性器件在體積和成本上的優(yōu)點較為突出,但在分辨率和精度上存在著很大的不足。與硅微加速度計相比,硅

4、微陀螺儀的發(fā)展較為滯后。為了降低加速度計和陀螺儀的誤差對系統(tǒng)的不利影響,對硅微加速度計和硅微陀螺進行了標定,在此基礎(chǔ)上利用卡爾曼濾波算法對硅微加速度計和硅微陀螺信息進行融合,計算出車體的傾斜角度,提高了姿態(tài)信號的精度
　　 傳統(tǒng)的控制規(guī)律主要是PID控制,此方法簡單有效、適用性強,是最成熟的控制方法。但是它最大的缺點是PID參數(shù)不能調(diào)節(jié),當(dāng)工況改變時,控制參數(shù)卻不能做相應(yīng)改變,這必然會造成控制效果下降。近年來,強化學(xué)習(xí)作為一種學(xué)

5、習(xí)控制算法得到了極大的發(fā)展。強化學(xué)習(xí)不需要先驗的知識,能通過與環(huán)境的交流改進自身的控制策略。由于它的自學(xué)習(xí)特性,強化學(xué)習(xí)被用于很多領(lǐng)域。其中典型案例有,強化學(xué)習(xí)被成功地運用于倒立擺的平衡控制中。在平衡控制的原理方面,兩輪自平衡機器人和倒立擺是極為相似的。因此本文運用強化學(xué)習(xí)的原理設(shè)計了兩輪自平衡機器人的姿態(tài)控制器,以此實現(xiàn)機器人的平衡控制。兩輪自平衡機器人的所有運動方式都以平衡控制為前提,平衡控制是兩輪自平衡機器人運動中的關(guān)鍵。