獨輪機器人姿態(tài)控制研究.pdf

1、獨輪機器人是一種本征不穩(wěn)定的輪式移動機器人，具有多變量、高度非線性、強耦合、時變、欠驅(qū)動等特點，可以作為驗證各種控制算法的理想平臺，具有十分重要的理論意義。同時它體積較小、結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活，適于在狹小的空間工作，因而有著廣泛的應用前景。
　　本文旨在探討獨輪機器人姿態(tài)控制算法設(shè)計相關(guān)問題，為最終實現(xiàn)機器人的自主移動打下基礎(chǔ)。
　　首先通過分析獨輪機器人的運動規(guī)律，得到了機器人動能和勢能的數(shù)學模型，并根據(jù) Lagrange方

2、程法建立了機器人的動力學模型，為控制器設(shè)計提供了理論依據(jù)。其次，為將復雜的拉格朗日動力學方程用于獨輪機器人的實時控制，根據(jù)方程本身的特點對其進行了簡化，將獨輪機器人動力學分解成側(cè)位姿平衡動力學、前后運動動力學和旋轉(zhuǎn)動力學三部分，并相應地得到三個狀態(tài)空間子模型。然后，基于簡化模型提出了簡單實用的姿態(tài)控制方案。即，分別獨立設(shè)計側(cè)位姿平衡和前后運動狀態(tài)反饋控制器，并運用變增益控制方法考慮側(cè)位姿平衡動力學、前后運動動力學和旋轉(zhuǎn)動力學之間的耦合效

3、應，最后通過兩個控制器的聯(lián)合作用實現(xiàn)獨輪機器人直線移動狀態(tài)下的姿態(tài)控制。
　　采用Lyapunov直接法分析證明了在直立狀態(tài)附近這一鄰域內(nèi),姿態(tài)鎮(zhèn)定控制下獨輪機器人系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，說明了設(shè)計的合理性。然后利用MatlAB工具對獨輪機器人姿態(tài)控制器進行了仿真實驗，其結(jié)果驗證了所提控制算法的可行性和有效性。同時，機器人左右和前后方向的干擾仿真驗證了所設(shè)計的姿態(tài)控制系統(tǒng)具有抗干擾能力。
　　為使欠驅(qū)動獨輪機器人具有自由行走能力，