變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人是兩車輪前后分布的自行車和兩車輪左右分布的Segway兩者相結(jié)合的產(chǎn)物，是兩輪車家族中的一名新成員。這種機(jī)器人可通過(guò)改變兩側(cè)車把轉(zhuǎn)角的大小，使系統(tǒng)工作于不同的工作模式以適應(yīng)不同的地形環(huán)境和任務(wù)要求。變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人的研究是一個(gè)系統(tǒng)工程，而平衡控制則是其中的基礎(chǔ)。本文主要針對(duì)系統(tǒng)在工作模式動(dòng)態(tài)切換中涉及的一些平衡問(wèn)題展開(kāi)研究，主要完成如下工作：
　　(1)對(duì)變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)車輪與地

2、面純滾動(dòng)假設(shè)以及兩車輪質(zhì)心速度關(guān)系推導(dǎo)出系統(tǒng)的完整約束和非完整約束，采用查浦雷金方法建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。基于該模型分析了部分狀態(tài)下車輪驅(qū)動(dòng)力矩與車架俯仰角、車把轉(zhuǎn)角、車把轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系。
　　(2)設(shè)計(jì)并搭建了變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人的物理樣機(jī)，包括機(jī)械本體和測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)，其中，測(cè)控系統(tǒng)以工控機(jī)(IPC)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為控制核心，綜合慣性測(cè)量單元(IMU)、光電編碼器、電流傳感器獲取系統(tǒng)的狀態(tài)變量，采用ZigBee無(wú)線模塊

3、完成數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的下達(dá)；采用VS2010、MATLAB GUI等開(kāi)發(fā)工具完成了變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人上位機(jī)監(jiān)控程序的開(kāi)發(fā)，為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作分析設(shè)計(jì)了一個(gè)方便簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面。
　　(3)針對(duì)在同步轉(zhuǎn)動(dòng)車把情況下進(jìn)行模式切換的特殊情形，對(duì)系統(tǒng)力學(xué)模型進(jìn)行降維，得到固定車把下的力學(xué)模型；基于部分反饋線性化方法設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人固定車把為0?、?45?時(shí)的定車運(yùn)動(dòng)平衡控制器，對(duì)固定車把下的定車平衡運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真和物理樣機(jī)

4、實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了幾組固定角度下的定車平衡運(yùn)動(dòng)控制。
　　(4)對(duì)車把在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)的原地模式切換問(wèn)題進(jìn)行了研究，基于部分反饋線性化方法設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)兩輪車機(jī)器人模式切換運(yùn)動(dòng)的平衡控制器，并引入模糊方法對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行在線整定提高系統(tǒng)的魯棒性；對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真和物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了車把擺動(dòng)情況下的原地模式切換運(yùn)動(dòng)控制。
　　(5)對(duì)車把在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)的行進(jìn)中模式切換問(wèn)題進(jìn)行了研究，在原地模式切換基礎(chǔ)上，調(diào)整車架俯仰角