兩輪自平衡機(jī)器人的研究.pdf

1、兩輪自平衡機(jī)器人作為一種本征不穩(wěn)定輪式移動(dòng)機(jī)器人，具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合和參數(shù)不確定等特點(diǎn)，這使得它成為驗(yàn)證各種控制算法的理想平臺(tái)。同時(shí)它運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適于在狹小的空間工作，有著廣泛的應(yīng)用前景。兩輪自平衡機(jī)器人能夠完成多輪機(jī)器人無(wú)法完成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及操作，特別適用于工作環(huán)境變化大、任務(wù)復(fù)雜的場(chǎng)合，如空間探索、地形偵察、危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)龋送?，還可以用于玩具、教育和服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。開(kāi)展兩輪自平衡機(jī)器人的研究對(duì)于提高我國(guó)在該領(lǐng)域的科研

2、水平、擴(kuò)展機(jī)器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。
　　由于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)對(duì)于自平衡及運(yùn)動(dòng)控制具有重要的影響，因此本文研制了一種質(zhì)量均布式定質(zhì)心兩輪自平衡機(jī)器人，該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活、抗干擾能力強(qiáng)。通過(guò)分析兩輪自平衡機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，得到了機(jī)器人動(dòng)能、勢(shì)能和耗散能的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)拉格朗日方程建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，為機(jī)器人控制策略的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。采用自適應(yīng)控制算法設(shè)計(jì)了機(jī)器人自平衡控制器，實(shí)現(xiàn)了機(jī)

3、器人的動(dòng)態(tài)自平衡，提高了抗干擾能力，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了算法在自平衡、抗干擾和調(diào)整時(shí)間上的優(yōu)勢(shì)。
　　為了減少位姿估計(jì)誤差的無(wú)限增長(zhǎng)，提高機(jī)器人的定位精度，在分析兩輪自平衡機(jī)器人感知系統(tǒng)用慣性傳感器誤差的產(chǎn)生機(jī)理以及誤差的漂移特性的基礎(chǔ)上，采用Levenberg-Marquardt最小二乘迭代擬合算法建立了慣性傳感器的誤差模型，并對(duì)其零點(diǎn)漂移進(jìn)行了擬合。同時(shí)，針對(duì)機(jī)器人不同位姿狀態(tài)的動(dòng)態(tài)特性和非線性程度，提出了兩級(jí)分散式異構(gòu)卡爾曼濾波

4、算法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的組合導(dǎo)航，并補(bǔ)償了低成本慣性傳感器的誤差，從而得到機(jī)器人位姿的最優(yōu)估計(jì)，保證了波精度和實(shí)時(shí)性。為了有效識(shí)別機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)的獲得對(duì)機(jī)器人所處運(yùn)行狀態(tài)的判斷，從而應(yīng)用準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)控制算法，本文提出一種基于支持向量機(jī)的多傳感器數(shù)據(jù)兩級(jí)融合方法，解決了機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別正確率較低的問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法可以對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效、可靠的識(shí)別。
　　針對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中遇到打滑、越障、碰撞等異常事件

5、，位姿估計(jì)失效的情況，提出一種Accodometry方法，結(jié)合改進(jìn)的Gyrodometry方法，通過(guò)融合碼盤、陀螺儀與加速度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人的位姿進(jìn)行估計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的準(zhǔn)確定位，解決了非系統(tǒng)定位誤差對(duì)機(jī)器人位姿估計(jì)的影響，降低了陀螺儀、加速度計(jì)固有漂移的不利影響，提高了兩輪自平衡機(jī)器人的定位精度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Accodometry方法的有效性，結(jié)果顯示與測(cè)程法誤差相比位置誤差降為1/3，方向誤差降為1/6。
　　為了有效使用有限的電

6、池容量，延長(zhǎng)機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間，針對(duì)機(jī)器人能量消耗問(wèn)題，通過(guò)比較幾種減少能耗的方法，并根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，建立了系統(tǒng)的能耗模型。由于能量函數(shù)具有指數(shù)形式，很難獲得解析解最小化能耗函數(shù)，因此提出了基于自適應(yīng)偽并行遺傳算法的偽分布式漸進(jìn)優(yōu)化策略對(duì)機(jī)器人的能耗進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)全局尋優(yōu)的方式對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和能量消耗進(jìn)行優(yōu)化，解決了能量?jī)?yōu)化問(wèn)題。提出了一種有效的歸一化組合度量算子來(lái)度量種群多樣性，并且結(jié)合了最佳個(gè)體保留、期望值選擇法、改進(jìn)的自適

7、應(yīng)遺傳算法確定交換概率與變異概率和自適應(yīng)偽并行遺傳算法等措施改進(jìn)了遺傳算法存在的早熟、局部收斂和收斂速度慢的缺陷，提高了遺傳算法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了算法的有效性和實(shí)時(shí)性。
　　最后，建立了兩輪自平衡機(jī)器人的仿真及硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)功能，分別進(jìn)行了自平衡控制、抗干擾、速度跟蹤、直線越障以及碰撞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示所設(shè)計(jì)的兩輪自平衡機(jī)器人能夠滿足實(shí)時(shí)地動(dòng)態(tài)特性要求，驗(yàn)證了兩輪自平衡機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及機(jī)