兩輪自平衡機器人模糊PD控制方法研究.pdf

1、兩輪自平衡機器人是一個多變量、非線性、高階次、強耦合、本質不穩(wěn)定的運動控制系統(tǒng)，是檢驗各種控制理論和控制方法的典型裝置，因而，對其研究有很大的理論和實踐意義。由于其具有結構簡單、運行穩(wěn)定、能量利用率高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，無論是在軍事領域還是在民用領域都具有非常廣闊的應用前景。本文以深圳固高公司生產的GBOT1001型兩輪自平衡機器人為研究對象，主要研究了其穩(wěn)定控制問題。
　　 首先，對機器人的硬件結構做了簡單介紹，包括DSP芯

2、片處理器、傾角傳感器、陀螺儀、光電編碼器以及驅動單元等主要元部件，并分析了其自平衡控制原理。其次，采用牛頓力學的分析方法對兩輪自平衡機器人進行數(shù)學建模，并采用基于泰勒級數(shù)的近似線性化方法對其線性化。對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控能觀性進行分析。再次，采用LQR控制方法設計控制器，對兩輪自平衡機器人進行控制。經過大量的仿真實驗，確定了最優(yōu)Q、R矩陣，從而得到最優(yōu)反饋矩陣，并搭建Simulink仿真模型，進行仿真分析。然后，設計模糊PD控制器，以機器

3、人的位移和速度為輸入變量由模糊控制器控制，傾斜角度和角速度由PD控制。針對模糊控制器，提出了一種量化因子和比例因子的估算方法，并根據PID控制參數(shù)整定原則，對相關參數(shù)在線整定。搭建Simulink仿真模型，將模糊PD控制與LQR控制進行仿真比較。最后，設計了機器人實時控制系統(tǒng)平臺，用于兩輪自平衡機器人的實時控制，經過大量的參數(shù)調試，機器人系統(tǒng)得到了良好的控制，可穩(wěn)定行走，達到了預期目標。
　　 實驗結果表明，模糊PD控制比LQR