兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計及控制研究.pdf

1、本文針對兩輪自平衡機(jī)器人運動平衡控制中的平衡控制以及速度控制等問題進(jìn)行了分析和研究,取得了如下主要研究結(jié)果： 第一,兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)檢測系統(tǒng)的設(shè)計與研究。 本文針對兩輪自平衡機(jī)器人設(shè)計了姿態(tài)檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由傾角傳感器、陀螺儀、光電編碼器等傳感器,以及檢測軟件和監(jiān)測軟件構(gòu)成。檢測軟件置于作為下位機(jī)的DSP器件中,負(fù)責(zé)獲取傳感信號并將信號變換為姿態(tài)信息,以備控制所需,監(jiān)測軟件置于上位機(jī)PC中,可以接收并實時顯示來自

2、機(jī)器人的姿態(tài)信息和控制量,便于機(jī)器人系統(tǒng)的實驗和調(diào)試。 第二,采用極點配置控制策略實現(xiàn)了兩輪自平衡機(jī)器人平衡控制。 本文針對兩輪自平衡機(jī)器人的平衡控制問題,對非線性模型線性化,采用極點配置的方法設(shè)計了兩輪自平衡機(jī)器人2輸入-3輸出控制器。其2維輸入為左電機(jī)和右電機(jī)電壓,3維輸出為姿態(tài)角、方向角,以及位移量。該控制器實現(xiàn)了姿態(tài)角和方向角以及位移量的綜合控制。在仿真實驗中使用所設(shè)計的平衡控制器,對機(jī)器人的姿態(tài)角,方向角度以及

3、位移量分別做了控制。仿真實驗表明,使用狀態(tài)反饋設(shè)計的控制器,能夠在保持兩輪自平衡機(jī)器人平衡的狀態(tài)下控制其運動到指定的位置。在取得了良好的仿真實驗效果的基礎(chǔ)上,將控制器用于實際物理系統(tǒng),取得了良好的控制效果。 第三,采用線性二次型跟蹤調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了機(jī)器人的直立勻速行走控制。 本文針對兩輪自平衡機(jī)器人的直線運動控制,在姿態(tài)角為零附近將模型線性化,采用線性二次型控制調(diào)節(jié)(LQR)設(shè)計了機(jī)器人的直立勻速行走控制器,方向角的運動控制

4、使用極點配置方法設(shè)計的控制器。在仿真實驗中,成功實現(xiàn)了兩輪自平衡機(jī)器人的直立勻速行走。 第四,采用模糊-比例復(fù)合實現(xiàn)了機(jī)器人指定傾角勻速行走模式和指定傾角加速行走模式的控制。 本文設(shè)計了一種模糊.比例復(fù)合控制器,其中,模糊控制器實現(xiàn)機(jī)器人傾角平衡,比例控制器實現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)速度控制。兩者的輸出疊加作為控制信號,控制機(jī)器人的直線運動。方向角的運動控制使用極點配置方法設(shè)計的控制器。在仿真實驗中成功地實現(xiàn)了兩輪自平衡機(jī)器人的兩

5、種運動模式的控制：1)指定傾角勻速行走運動模式,2)指定傾角加速行走運動模式。實驗證明,模糊控制與比例控制器的有機(jī)結(jié)合,能夠有效控制兩輪自平衡機(jī)器人的兩種運動模式,并且大大降低了控制規(guī)則的數(shù)目。本文的研究工作得到了國家自然科學(xué)基金的支持,相關(guān)研究成果已經(jīng)得到國家知識產(chǎn)權(quán)局的專利授權(quán)證書,所寫論文被CCC08中國控制會議(ISTP檢索)正式錄用。本文的研究工作對于兩輪自平衡機(jī)器人的設(shè)計及一類有多個反饋量、非線性、自不穩(wěn)定系統(tǒng)的運動控制問題