獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制研究.pdf

1、近年來，獨(dú)輪自平衡機(jī)器人吸引了國(guó)內(nèi)外越來越多研究學(xué)者的目光。獨(dú)輪自平衡機(jī)器人是一個(gè)非線性、多耦合、非完整性約束的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，針對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立與控制器設(shè)計(jì)，向來是機(jī)器人學(xué)以及自動(dòng)控制領(lǐng)域的難題。本文搭建了獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)模型，并就機(jī)器人前后、左右方向上的姿態(tài)控制問題展開了研究，主要的研究?jī)?nèi)容如下：
　　（1）實(shí)物平臺(tái)搭建
　　本文中，我們研究并設(shè)計(jì)了一臺(tái)采用慣性飛輪結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人

2、，主要工作包括以下三個(gè)部分：一是機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)確保系統(tǒng)整體質(zhì)量分布合理，以滿足機(jī)器人自平衡控制的基本條件；二是機(jī)器人的硬件電路設(shè)計(jì)，具體是指主控制器、供電模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、角度傳感器、藍(lán)牙串口通信以及PCB設(shè)計(jì)等；三是機(jī)器人的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，指的是下位機(jī)端機(jī)器人主控程序設(shè)計(jì)以及用于調(diào)整控制參數(shù)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。
　?。?）系統(tǒng)模型建立
　　本文首先分析了獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡原理：在前后方向上，機(jī)器人通過行走輪的

3、加減速運(yùn)動(dòng)來調(diào)節(jié)縱向平衡。在左右方向上，機(jī)器人則由慣性飛輪加速旋轉(zhuǎn)形成反向力矩來補(bǔ)償側(cè)向傾斜。因此，獨(dú)輪自平衡機(jī)器人可以抽象成左右方向上的飛輪倒立擺以及前后方向上的一級(jí)直線倒立擺。在此基礎(chǔ)上，我們運(yùn)用Lagrange方程分別建立機(jī)器人在縱向和側(cè)向上的系統(tǒng)模型。
　?。?）有限時(shí)間姿態(tài)控制器設(shè)計(jì)
　　本文就獨(dú)輪自平衡機(jī)器人前后（俯仰軸）、左右（橫滾軸）方向上的姿態(tài)控制問題，提出了一種連續(xù)的有限時(shí)間控制策略。目前，對(duì)于獨(dú)輪自平衡