自主式雙輪動態(tài)平衡移動機器人的控制系統(tǒng)研究.pdf

1、雙輪動態(tài)平衡移動機器人系統(tǒng)屬于典型的自平衡控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的重心在上，支點在下，靜態(tài)為不穩(wěn)定狀態(tài)，動態(tài)時以系統(tǒng)在垂直方向上的角度為控制對象，使其控制在平衡狀態(tài)附近一定的范圍內(nèi)。由于機器人體積小，運動靈活，適于在狹小和復(fù)雜地貌的環(huán)境下活動，將會在軍用和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 本文的主要研究內(nèi)容包括：系統(tǒng)的構(gòu)成與原理分析、動力學分析與建模、自主直立與平衡控制策略、各狀態(tài)的控制方法的實現(xiàn)與聯(lián)合仿真。 本文首先分析了機器人系

2、統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，討論機器人的動平衡系統(tǒng)——陀螺裝置的工作原理并做定性分析，機器人能在翻倒狀態(tài)或者較大傾斜角度的狀態(tài)下能夠自主直立起來。使該系統(tǒng)具備了傳統(tǒng)的靜態(tài)平衡機器人所沒有的特征。 論文還建立機器人系統(tǒng)空間坐標系，應(yīng)用動力學理論對其運動狀態(tài)、受力情況進行分析。對陀螺裝置工作時產(chǎn)生的陀螺力矩進行了定量的分析，同時得到系統(tǒng)模型，為控制方法和控制策略的研究莫定基礎(chǔ)。 與其他自平衡機器人的控制系統(tǒng)不同，本論文綜合利用狀態(tài)反

3、饋控制方法和模糊控制方法設(shè)計機器人的控制系統(tǒng)。 在平衡點附近，機器人傾斜角度較小，對系統(tǒng)模型線性化后，通過計算證明系統(tǒng)是可控的，應(yīng)用線性控制理論對系統(tǒng)加以控制，通過系統(tǒng)仿真得到一組狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出狀態(tài)反饋控制器。 當機器人的傾斜角度較大時，系統(tǒng)線性化將會帶來較大誤差，由于模糊控制對被控對象的參數(shù)變化的適應(yīng)力強，而且在模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變時，也能獲得較好的控制結(jié)果，故采用模糊控制思想。 在機器人的傾斜