桌面自平衡機(jī)器人的研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、輪式自平衡機(jī)器人是輪式移動(dòng)機(jī)器人中重要的一類仿生系統(tǒng)。桌面兩輪自平衡機(jī)器人不僅在體積、成本上存在優(yōu)勢(shì)，而且很多在大型兩輪自平衡機(jī)器人上無法實(shí)現(xiàn)的控制策略也可以在桌面自平衡機(jī)器人上加以實(shí)驗(yàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。因此研究桌面兩輪自平衡機(jī)器人的問題成為了研究?jī)奢啓C(jī)器人技術(shù)的重要問題之一。
　　 本文構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)了桌面自平衡機(jī)器人的物理系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)和仿真環(huán)境下研究了桌面自平衡機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型和平衡控制策略，取得的研究成果有：
　

2、　 第一：構(gòu)建了桌面自平衡機(jī)器人物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
　　 本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外相關(guān)的兩輪自平衡機(jī)器人實(shí)際物理系統(tǒng)，并結(jié)合小型化機(jī)器人設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了桌面兩輪自平衡機(jī)器人物理系統(tǒng)。包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并將各個(gè)部分進(jìn)行整合，構(gòu)建成了一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性、穩(wěn)定性，為一個(gè)通用的物理系統(tǒng)，可以驗(yàn)證各種控制策略。系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于模塊化設(shè)計(jì)，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)質(zhì)量，并且系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展

3、性，方便研究人員進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)。
　　 第二：基于紅外線傳感器的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究
　　 考慮到桌面機(jī)器人受到體積、重量、成本等方面的制約，本系統(tǒng)所使用的傳感器為紅外線傳感器。同時(shí)，采用紅外線傳感器的優(yōu)點(diǎn)還在于不存在零點(diǎn)溫漂以及系統(tǒng)累積誤差，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。測(cè)量方法采用經(jīng)典的三角測(cè)量法。紅外線傳感器將采集到的信號(hào)傳送到下位機(jī)DSP處理器中，DSP處理器將信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，一方面將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PWM波信號(hào)

4、控制電機(jī)，另一方面將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式傳送到上位機(jī)的監(jiān)測(cè)軟件中。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了傳輸輔助電路板，用來給上位機(jī)提供準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的信號(hào)。在上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件中，可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以便對(duì)實(shí)際得到的數(shù)據(jù)和仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而研究桌面自平衡機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型和控制方法。
　　 第三：對(duì)桌面自平衡機(jī)器人進(jìn)行建模并對(duì)其進(jìn)行平衡控制
　　 本文針對(duì)桌面自平衡機(jī)器人，根據(jù)牛頓經(jīng)典力學(xué)建立其數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行了線性化，

5、分析其能控性，能觀性。應(yīng)用增量式PID控制策略對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。首先進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在得到參數(shù)后，對(duì)機(jī)器人的實(shí)際物理系統(tǒng)進(jìn)行控制，取得良好的控制效果。同時(shí)，在PID控制算法上引入了模糊控制，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明桌面自平衡機(jī)器人的物理系統(tǒng)、數(shù)學(xué)建模以及相應(yīng)的控制策略設(shè)計(jì)的合理性、可行性以及有效性。并且通過DSP編寫的控制程序亦可實(shí)現(xiàn)其他控制策略，為今后的研究提供了便利。
　　 本文的研究工作得到了國(guó)家“863計(jì)劃”項(xiàng)