基于陀螺進動效應的獨輪機器人的研制.pdf

1、獨輪機器人是一種形式特殊的輪式移動機器人，由于獨輪機器人與地面之間為單點接觸，自由度較多，屬于本質不穩(wěn)定系統(tǒng)。獨輪機器人系統(tǒng)具有非線性、多變量、強耦合的特點，控制難度大，如何能夠有效的實現(xiàn)獨輪機器人的平衡控制是一個極具挑戰(zhàn)性的課題。
　　目前，傳統(tǒng)的獨輪機器人側平衡控制在結構上多采用慣性輪結構，包括水平慣性輪和垂直慣性輪結構。慣性輪的另一重要應用領域是航天器的姿態(tài)控制，尤其是小衛(wèi)星的姿態(tài)控制。由于慣性輪的輸出力矩有限，在大型航天器

2、，如空間站的姿態(tài)控制中，多采用控制力矩陀螺作為姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構。與慣性輪相比，控制力矩陀螺具有輸出力矩大、響應速度快的優(yōu)點。
　　受此啟發(fā)，本文針對基于慣性輪結構的獨輪機器人輸出控制力矩小、平衡能力有限的問題，研制了一種新型結構的基于陀螺進動效應的獨輪機器人。該獨輪機器人利用一對剪式控制力矩陀螺產生的陀螺力矩實現(xiàn)側平衡高效控制。剪式陀螺消除了單陀螺結構中力矩方向變化帶來的前后方向的干擾。
　　在控制方面，對獨輪機器人控

3、制目前多采用解耦控制方法，將獨輪機器人動力學模型在平衡點附近解耦為前后動力學模型和左右動力學模型，針對這兩個模型設計兩個分離的狀態(tài)反饋控制器。該方法忽略了獨輪機器人動力學模型之間由于耦合作用帶來的相互干擾，抗擾動性能有待提升。
　　針對上述控制問題，本文提出了一種基于離心力原理的補償控制算法。該算法考慮了獨輪機器人動力學中前后和左右方向之間的離心力項，用離心力矩和陀螺力矩共同補償獨輪機器人左右傾斜時的重力力矩，提高了獨輪機器人側平