兩輪自平衡機器人系統(tǒng)設(shè)計及控制研究.pdf

1、本文針對兩輪自平衡機器人運動平衡控制中的平衡控制以及速度控制等問題進(jìn)行了分析和研究,取得了如下主要研究結(jié)果： 第一,兩輪自平衡機器人姿態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究。 本文針對兩輪自平衡機器人設(shè)計了姿態(tài)檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由傾角傳感器、陀螺儀、光電編碼器等傳感器,以及檢測軟件和監(jiān)測軟件構(gòu)成。檢測軟件置于作為下位機的DSP器件中,負(fù)責(zé)獲取傳感信號并將信號變換為姿態(tài)信息,以備控制所需,監(jiān)測軟件置于上位機PC中,可以接收并實時顯示來自

2、機器人的姿態(tài)信息和控制量,便于機器人系統(tǒng)的實驗和調(diào)試。 第二,采用極點配置控制策略實現(xiàn)了兩輪自平衡機器人平衡控制。 本文針對兩輪自平衡機器人的平衡控制問題,對非線性模型線性化,采用極點配置的方法設(shè)計了兩輪自平衡機器人2輸入-3輸出控制器。其2維輸入為左電機和右電機電壓,3維輸出為姿態(tài)角、方向角,以及位移量。該控制器實現(xiàn)了姿態(tài)角和方向角以及位移量的綜合控制。在仿真實驗中使用所設(shè)計的平衡控制器,對機器人的姿態(tài)角,方向角度以及

3、位移量分別做了控制。仿真實驗表明,使用狀態(tài)反饋設(shè)計的控制器,能夠在保持兩輪自平衡機器人平衡的狀態(tài)下控制其運動到指定的位置。在取得了良好的仿真實驗效果的基礎(chǔ)上,將控制器用于實際物理系統(tǒng),取得了良好的控制效果。 第三,采用線性二次型跟蹤調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了機器人的直立勻速行走控制。 本文針對兩輪自平衡機器人的直線運動控制,在姿態(tài)角為零附近將模型線性化,采用線性二次型控制調(diào)節(jié)(LQR)設(shè)計了機器人的直立勻速行走控制器,方向角的運動控制

4、使用極點配置方法設(shè)計的控制器。在仿真實驗中,成功實現(xiàn)了兩輪自平衡機器人的直立勻速行走。 第四,采用模糊-比例復(fù)合實現(xiàn)了機器人指定傾角勻速行走模式和指定傾角加速行走模式的控制。 本文設(shè)計了一種模糊.比例復(fù)合控制器,其中,模糊控制器實現(xiàn)機器人傾角平衡,比例控制器實現(xiàn)機器人的前進(jìn)速度控制。兩者的輸出疊加作為控制信號,控制機器人的直線運動。方向角的運動控制使用極點配置方法設(shè)計的控制器。在仿真實驗中成功地實現(xiàn)了兩輪自平衡機器人的兩

5、種運動模式的控制：1)指定傾角勻速行走運動模式,2)指定傾角加速行走運動模式。實驗證明,模糊控制與比例控制器的有機結(jié)合,能夠有效控制兩輪自平衡機器人的兩種運動模式,并且大大降低了控制規(guī)則的數(shù)目。本文的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持,相關(guān)研究成果已經(jīng)得到國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利授權(quán)證書,所寫論文被CCC08中國控制會議(ISTP檢索)正式錄用。本文的研究工作對于兩輪自平衡機器人的設(shè)計及一類有多個反饋量、非線性、自不穩(wěn)定系統(tǒng)的運動控制問題