單球自平衡移動機器人系統(tǒng)建模與自平衡控制研究.pdf

1、分類號：密級：UDC：學(xué)號：碩士學(xué)位論文2017年5月31日單球自平衡移動單球自平衡移動機器人機器人系統(tǒng)建模與自平衡控制系統(tǒng)建模與自平衡控制研究研究SystemModelingResearchonSelfBalancingControlofaSingleBallSelfBalancingMobileRobot學(xué)位類別：全日制工學(xué)碩士作者姓名：劉龍細學(xué)科、專業(yè)：機械電子工程指導(dǎo)教師：劉飛飛教授研究方向：機器人與智能控制江西理工大學(xué)碩士學(xué)位

2、論文摘要I摘要單球自平衡移動機器人源于倒立擺模型，是一個典型的多變量、非線性、高階次、強耦合和靜態(tài)不穩(wěn)定系統(tǒng)。單球自平衡移動機器人模型的控制理論，也被廣泛的應(yīng)用于機器人及人工智能控制、導(dǎo)彈攔截及空間站的對接控制、火箭發(fā)射及航天器飛行中的姿態(tài)控制等領(lǐng)域。本文針對單球自平衡移動機器人的自平衡控制問題，研制了物理樣機，并對樣機進行了力學(xué)建模與控制算法的研究，取得了以下主要研究成果：首先，通過對單球自平衡移動機器人機械結(jié)構(gòu)及運動特性的研究，同時

3、參考“Rezero”機器人的設(shè)計，建立起了單球自平衡移動機器人的物理樣機。建立的物理樣機在機械結(jié)構(gòu)上將三個全向輪軸線與鉛垂線之間的夾角設(shè)計的更小，使全向輪與驅(qū)動球體之間的有效摩擦力更大，運動的傳遞效率也更高。此外，單球自平衡移動機器人整個控制系統(tǒng)的主控制器使用的是美國TI公司生產(chǎn)的型號為TMS320FC28335的高速DSP（數(shù)字信號處理器）開發(fā)板，同時以超核電子推出的一款高性能九軸姿態(tài)傳感器作為檢測裝置，從而使整個單球自平衡移動機器人

4、控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快、精度與效率都更高。其次，在系統(tǒng)分析和研究單球自平衡移動機器人機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將單球自平衡移動機器人模型等效為原理簡單、理論成熟的一級倒立擺模型及IASMP（InverseAtlasSphericalMotionPlatfm）模型，極大地提高了單球自平衡移動機器人系統(tǒng)建模的準(zhǔn)確性與可靠性。同時利用歐拉拉格朗日方程與雅可比矩陣分別對單球自平衡移動機器人進行了動力學(xué)與運動學(xué)建模，并將建立的動力學(xué)方程在系統(tǒng)狀態(tài)零點附近進行

5、了線性化處理得到了線性化模型，最后對線性化模型進行了能控性、能觀性及穩(wěn)定性分析。然后，針對單球自平衡移動機器人的自平衡控制（包括位置控制與傾角控制）問題設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛的PID與LQR兩種控制算法。其中PID控制算法主要對單球自平衡移動機器人的位置進行控制、LQR控制算法主要對單球自平衡移動機器人的傾角進行控制。同時運用MATLABSIMULINK軟件分別對PID與LQR兩種控制算法的控制效果進行了仿真與分析。最后，根據(jù)單球自平