自校正仿人智能控制器及其在等擺長(zhǎng)倒立擺系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、如何讓雙足機(jī)器人象人一樣奔跑起來，一直以來是科技工作者們持續(xù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。以人類的奔跑動(dòng)作為例，它包含了單足倒立穩(wěn)定問題，雙足倒立穩(wěn)定問題，人體姿態(tài)控制問題和人體平衡態(tài)的破壞與重建問題。人體的腳關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)等關(guān)節(jié)相當(dāng)于倒立擺的擺桿連接點(diǎn)，人體各關(guān)節(jié)之間的骨骼相當(dāng)于倒立擺的各級(jí)擺桿，可見多級(jí)倒立擺就是人體奔跑運(yùn)動(dòng)的物理模型，其倒立平衡問題的本質(zhì)與雙足機(jī)器人奔跑問題的本質(zhì)一致。不僅如此，等擺長(zhǎng)多級(jí)倒立擺系統(tǒng)也是火箭發(fā)射、機(jī)械臂和

2、自平衡小車等系統(tǒng)的物理原型，它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和控制機(jī)理具有高度相似性。同時(shí)因本文使用的多級(jí)倒立擺為等擺長(zhǎng)配置，較內(nèi)短外長(zhǎng)型擺長(zhǎng)配置具有更強(qiáng)烈的非線性、耦合性和自不穩(wěn)定性，使得等擺長(zhǎng)多級(jí)倒立擺的研究具有相當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)性和趣味性。因此本文選用等擺長(zhǎng)三級(jí)倒立擺作為研究平臺(tái)，旨在研究雙足機(jī)器人等類人形機(jī)器人快速奔跑起來的平衡本質(zhì)，同時(shí)為體操機(jī)器人、自由連桿、機(jī)械臂等復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制提供一個(gè)新方法、新框架和新角度。
　　現(xiàn)有的多級(jí)倒立擺控制方法

3、普遍存在穩(wěn)擺初始條件狹窄的問題，體現(xiàn)在對(duì)人提擺的要求特別嚴(yán)苛，間接說明了現(xiàn)有控制方法的抗干擾性和魯棒性有待提高。對(duì)此本文以“在較大初始條件下實(shí)現(xiàn)等擺長(zhǎng)三級(jí)倒立擺穩(wěn)擺控制，且提出的控制方法應(yīng)具有較強(qiáng)抗干擾性，魯棒性和廣泛適用性”為研究目標(biāo)，并將其分解成三個(gè)關(guān)鍵問題：
　?、贁U(kuò)大等擺長(zhǎng)三級(jí)倒立擺穩(wěn)擺初始條件區(qū)間；
　?、谟行V除等擺長(zhǎng)三級(jí)倒立擺系統(tǒng)測(cè)量噪音；
　　③進(jìn)一步劃分等擺長(zhǎng)三級(jí)倒立擺非線性區(qū)域，形成最終解決方案。<

4、br>　　針對(duì)研究目標(biāo)和擬解決的三個(gè)問題，開展的具體工作如下：
　　首先，利用拉格朗日原理建立了等擺長(zhǎng)二級(jí)倒立擺和等擺長(zhǎng)三級(jí)倒立擺的非線性微分方程組并進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，通過線性化，得到其垂直向上位置的線性狀態(tài)空間表達(dá)式，為后續(xù)控制方案的分析和設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　　接著，針對(duì)等擺長(zhǎng)多級(jí)倒立擺穩(wěn)擺控制初始條件區(qū)間狹窄的問題，在相平面上劃分出線性區(qū)和非線性區(qū)，提出滯環(huán)模糊自校正仿人智能控制器，仿真和實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該控制器可有效擴(kuò)展等擺長(zhǎng)多

5、級(jí)倒立擺的初始條件區(qū)間。
　　然后，針對(duì)倒立擺系統(tǒng)噪音污染問題，提出一種改進(jìn)型卡爾曼濾波器，將穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波技術(shù)和漸消記憶法結(jié)合起來，形成一種設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波器增益矩陣的方法，既滿足運(yùn)動(dòng)控制對(duì)實(shí)時(shí)性的較高要求，又能克服濾波器的模型誤差，仿真和實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)證實(shí)該方法可有效濾除測(cè)量噪音，減小各級(jí)擺桿的隨機(jī)抖動(dòng)。
　　最后，針對(duì)等擺長(zhǎng)多級(jí)倒立擺非線性區(qū)域較大的問題，在相平面上自然延長(zhǎng)線性區(qū)域的分界線，從而將整個(gè)相平面細(xì)分為九個(gè)區(qū)域，