兩輪自平衡機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制.pdf

1、兩輪自平衡機(jī)器人是一種基于倒立擺模型的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，是驗(yàn)證各類控制算法的良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。兩輪自平衡機(jī)器人具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在狹小環(huán)境中具有出色的表現(xiàn)。作為一種方便、環(huán)保的交通工具，在步行街等場(chǎng)合有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文以兩輪自平衡機(jī)器人為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制為目標(biāo)，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制中的如下問(wèn)題進(jìn)行了研究:
　　1.分析慣性傳感器陀螺儀和加速度計(jì)的動(dòng)、靜態(tài)特性，建立各自的誤差模型。根據(jù)慣性傳感

2、器的特性，結(jié)合卡爾曼濾波理論，實(shí)現(xiàn)多慣性傳感器信息融合，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)解算。
　　2.應(yīng)用牛頓力學(xué)方法建立兩輪自平衡機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，并分析了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)合機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型將機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制分為姿態(tài)控制、速度控制和方向控制三項(xiàng)控制任務(wù)。
　　3.根據(jù)兩輪自平衡機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型，分析機(jī)器人三項(xiàng)控制任務(wù)之間的耦合關(guān)系和動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。應(yīng)用拉開三項(xiàng)控制任務(wù)工作頻率的方法，實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)控制任務(wù)之間的相對(duì)獨(dú)立。針對(duì)機(jī)器

3、人實(shí)際運(yùn)行中可能存在的異常狀態(tài)，對(duì)常規(guī)PID控制器予以改進(jìn)。提出一種“快計(jì)算，慢輸出”的速度控制方法，更好的實(shí)現(xiàn)了兩輪自平衡機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。提出一種雙速度環(huán)速度控制算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人速度控制和方向控制在車輪層面上的閉環(huán)控制。
　　4.利用自行設(shè)計(jì)的兩輪自平衡機(jī)器人硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述姿態(tài)解算、運(yùn)動(dòng)控制方法的有效性和可行性?？紤]機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行的客觀需要介紹了兩輪自平衡機(jī)器人的安全保護(hù)策略。
　　理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明