獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人的樣機(jī)設(shè)計(jì)與平衡運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人屬于自然不穩(wěn)定系統(tǒng),其車(chē)體側(cè)向傾角和前后俯仰角無(wú)直接驅(qū)動(dòng)，需要通過(guò)擺輪以及行走輪與車(chē)架之間的力學(xué)耦合保持車(chē)體平衡。平衡控制是獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人研究首要面對(duì)的問(wèn)題，也是其軌跡跟蹤和避障控制的前提和基礎(chǔ)。本文以一種垂直擺輪式獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人為對(duì)象，從力學(xué)建模、物理樣機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平衡控制器設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)控制仿真和物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)幾個(gè)方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行研究。論文完成的工作如下：
　　（1）對(duì)垂直擺輪式獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，采

2、用查浦雷金方法建立系統(tǒng)的欠驅(qū)動(dòng)力學(xué)模型。
　?。?）設(shè)計(jì)并搭建完成一臺(tái)以行走車(chē)輪作為機(jī)器人俯仰平衡控制機(jī)構(gòu)，以腰輪作為航向調(diào)整機(jī)構(gòu)，以垂直擺輪作為側(cè)向平衡控制機(jī)構(gòu)，以TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）作為控制硬件核心，利用慣性測(cè)量單元（IMU）采集獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用RS232串行總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊的獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人物理樣機(jī)。基于搭建完成的獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人物理樣機(jī)，以MPC2000型轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)試儀為平臺(tái)，測(cè)量了機(jī)器人的質(zhì)

3、量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；完成了擺輪電機(jī)的速度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、電流響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、電流與力矩?cái)?shù)學(xué)模型辨識(shí)等一系列基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。
　?。?）采用部分反饋線(xiàn)性化方法設(shè)計(jì)完成獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人的側(cè)向平衡控制器和俯仰平衡控制器，對(duì)車(chē)體側(cè)向平衡運(yùn)動(dòng)和前后平衡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，從中驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)的可靠性與有效性?；趥?cè)向平衡控制器對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值分析，得到既滿(mǎn)足系統(tǒng)穩(wěn)定性，又滿(mǎn)足電器特性的控制參數(shù)集合。
　?。?）在Adams環(huán)境下建立獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人虛擬

4、樣機(jī)模型，在Matlab中基于反饋線(xiàn)性化建立系統(tǒng)的平衡控制模型。聯(lián)合Adams與Matlab進(jìn)行平衡運(yùn)動(dòng)控制仿真，實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人的側(cè)向平衡控制、俯仰平衡控制和拆卸輔助輪后的定車(chē)運(yùn)動(dòng)控制?；趥?cè)向平衡虛擬樣機(jī)模型，分析了控制參數(shù)與機(jī)械參數(shù)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，減輕車(chē)身質(zhì)量和降低機(jī)器人整體質(zhì)心以及合理選擇控制器參數(shù)，能大幅度降低對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力的要求，且能提高平衡控制效果。
　　（5）利用搭建的獨(dú)輪車(chē)機(jī)器人物理樣機(jī)模