站球機(jī)器人及其自平衡控制.pdf

1、自平衡機(jī)器人大多具有非線性的特點，是典型的多變量欠驅(qū)動系統(tǒng)，對于這種系統(tǒng)的控制方法研究一直是控制科學(xué)領(lǐng)域的熱點及難點。本文研制了一種能夠在圓球上保持平衡的站球機(jī)器人，與通過兩個驅(qū)動輪保持平衡的兩輪自平衡機(jī)器人相比，該機(jī)器人只使用了一個球形輪就實現(xiàn)了相同的功能。由于系統(tǒng)模型更加復(fù)雜，對控制方法的要求更高，因此，站球機(jī)器人是研究和驗證各種控制算法的理想平臺。
　　本文主要針對站球機(jī)器人及其自平衡控制進(jìn)行研究。首先，建立了站球機(jī)器人的數(shù)

2、學(xué)模型;其次，分別設(shè)計了線性二次型調(diào)節(jié)器(Linear Quadratic Regulator,LQR)和分層滑模控制器(Hierarchical Sliding Mode Controller,HSMC)對站球機(jī)器人進(jìn)行平衡控制;最后，通過仿真和實際的實驗對本文所使用的方法進(jìn)行了分析和驗證。論文的主要內(nèi)容如下:
　　(1)站球機(jī)器人的本體設(shè)計。首先，設(shè)計了站球機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)構(gòu);其次，以ARM嵌入式系統(tǒng)為核心設(shè)計了站球機(jī)器人的硬件

3、和軟件系統(tǒng);最后，利用姿態(tài)解算的算法對站球機(jī)器人上的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而解算出站球機(jī)器人的姿態(tài)角。
　　(2)站球機(jī)器人的運動學(xué)分析及動力學(xué)建模。本文在參考了卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的三維建模方法的基礎(chǔ)上使用拉格朗日方程建立了站球機(jī)器人的三維數(shù)學(xué)模型并分析了線性化的系統(tǒng)模型的特性。
　　(3)站球機(jī)器人的平衡控制器設(shè)計。對站球機(jī)器人的模型在平衡點附近進(jìn)行局部線性化處理，在此基礎(chǔ)上，分別使用線性二次最優(yōu)控制方法和分層滑?？刂品椒ㄔO(shè)計