一種獨(dú)輪機(jī)器人的建模與運(yùn)動(dòng)平衡控制的研究.pdf

1、運(yùn)動(dòng)平衡控制問題是機(jī)器人系統(tǒng)中普遍存在的問題，其中，最典型的是兩輪機(jī)器人、雙足機(jī)器人、獨(dú)腿機(jī)器人、獨(dú)輪機(jī)器人。這些機(jī)器人又可稱作：“自平衡機(jī)器人”，意即需要運(yùn)動(dòng)平衡控制的機(jī)器人。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡控制問題，既是機(jī)器人學(xué)研究的重要問題，又是控制科學(xué)研究的重要問題。獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)，需要同時(shí)控制系統(tǒng)的前向平衡、側(cè)向平衡以及速度和航向等，具有重要的研究價(jià)值。
　　 本文針對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的建模和運(yùn)動(dòng)平衡控制問題進(jìn)行研究，取得以下主要研究成果

2、：
　　 第一：基于勞斯方程的獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)建模
　　 本文根據(jù)勞斯方程建立獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。將機(jī)器人系統(tǒng)抽象為由車輪、機(jī)器人體及慣性輪三個(gè)剛體組成的系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行假設(shè)和簡化，利用勞斯方程建立了獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)模型的正確性，進(jìn)而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能控性。
　　 第二：獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制
　　 將獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近線性化，設(shè)計(jì)線性二次型最優(yōu)

3、調(diào)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡控制；并通過坐標(biāo)變換方法，將系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤問題轉(zhuǎn)化成最優(yōu)調(diào)節(jié)問題，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。仿真實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)機(jī)器人傾角在一定范圍內(nèi)時(shí)，控制器可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡控制。超過該范圍，控制器失效。
　　 第三：獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的基于融合函數(shù)的模糊控制
　　 將獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近線性化，進(jìn)而將系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近解耦為側(cè)向和前向兩個(gè)正交方向的子系統(tǒng)。然后針對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)基于融合函數(shù)的模糊控制器

4、，降低了模糊規(guī)則數(shù)。通過仿真實(shí)驗(yàn)可知，本文所設(shè)計(jì)的模糊控制器，減小了系統(tǒng)超調(diào)和調(diào)節(jié)時(shí)間，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性。
　　 第四：獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的分組分層滑模變結(jié)構(gòu)控制
　　 根據(jù)獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)非線性模型的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種分組分層滑模變結(jié)構(gòu)控制器，并通過理論分析，證明所設(shè)計(jì)控制器各個(gè)滑模面的漸近穩(wěn)定性。仿真實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的滑?？刂破髂軌蛴行?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平衡控制，擴(kuò)大了系統(tǒng)的可控范圍，降低了系統(tǒng)姿態(tài)角的超調(diào)，減小了系統(tǒng)所需的控

5、制量，具有較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)外界干擾具有一定的自適應(yīng)性。
　　 第五：基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的獨(dú)輪機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平衡控制仿真實(shí)驗(yàn)
　　 本文采用Open Dynamics Engine（ODE）作為獨(dú)輪機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算引擎，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中建立獨(dú)輪機(jī)器人的可視化動(dòng)力學(xué)模型，將該模型的開環(huán)響應(yīng)與本文建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型開環(huán)響應(yīng)對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性。并以虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的獨(dú)輪機(jī)器人為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪機(jī)器人的平衡控