自平衡獨(dú)輪機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、獨(dú)輪自平衡機(jī)器人是典型的非線(xiàn)性、欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因?yàn)樗c地面接觸點(diǎn)數(shù)目降到最小,其建模和運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題是控制科學(xué)及機(jī)器大學(xué)研究的重要問(wèn)題。
　　 基于以上背景,本文設(shè)計(jì)了具有豎直飛輪和下行走輪的自平衡獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng),建立其動(dòng)力學(xué)模型;研究其運(yùn)動(dòng)平衡控制問(wèn)題,主要完成了以下工作:
　　 (1)獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模
　　 本文通過(guò)對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析,利用勞斯方程建立獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,并利用仿真實(shí)驗(yàn)

2、證明所得模型的正確性。
　　 (2)獨(dú)輪自平衡機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)
　　 本文設(shè)計(jì)了一種獨(dú)輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng),其最重要的結(jié)構(gòu)特性是豎直慣性飛輪和下行走輪相互配合:豎直慣性飛輪調(diào)節(jié)橫滾自由度平衡;行走輪調(diào)節(jié)俯仰自由度平衡。此結(jié)構(gòu)模擬了人類(lèi)騎獨(dú)輪車(chē)的特性。設(shè)計(jì)了以DSPTMS320F2812為核心,輔以狀態(tài)感知傳感器:編碼器、捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊等;輔以電機(jī)伺服系統(tǒng),負(fù)責(zé)控制雙輪電機(jī)完成指定運(yùn)動(dòng);并輔以各種人機(jī)接口。負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)

3、、獲取信息,決策和下達(dá)運(yùn)動(dòng)控制指令。
　　 (3)獨(dú)輪自平衡機(jī)器人軟件系統(tǒng)
　　 本文的軟件設(shè)計(jì)主要包含兩部分,一部分是DSP底層軟件的實(shí)現(xiàn),一部分是基于PC的無(wú)線(xiàn)測(cè)試與控制平臺(tái)。主要完成了DSP對(duì)傳感器信號(hào)的采集與處理、控制算法的運(yùn)算以及控制量(PWM)和方向信號(hào)的輸出、通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊與PC間的數(shù)據(jù)和指令通信。
　　 (4)設(shè)計(jì)模糊控制算法
　　 運(yùn)用已經(jīng)建立的該系統(tǒng)的二維動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)基于融合函數(shù)的模

4、糊控制器,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平衡控制。該方法降低了控制器的模糊規(guī)則數(shù),提高了系統(tǒng)的控制品質(zhì)。
　　 (5)設(shè)計(jì)了上位機(jī)檢測(cè)平臺(tái)
　　 在PC機(jī)用VC編制檢測(cè)界面,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)兩方面的作用,一方面是在系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程中,獲取系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)據(jù),能實(shí)時(shí)傳送系統(tǒng)運(yùn)行中的各種數(shù)據(jù)給PC,以及控制電壓參數(shù),然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析:另一方面,系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中,要接收外界發(fā)送給它的指令,按照指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。
　　 該模型在一定程