基于陀螺進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的獨(dú)輪機(jī)器人的研制.pdf

1、獨(dú)輪機(jī)器人是一種形式特殊的輪式移動(dòng)機(jī)器人，由于獨(dú)輪機(jī)器人與地面之間為單點(diǎn)接觸，自由度較多，屬于本質(zhì)不穩(wěn)定系統(tǒng)。獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，控制難度大，如何能夠有效的實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪機(jī)器人的平衡控制是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。
　　目前，傳統(tǒng)的獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平衡控制在結(jié)構(gòu)上多采用慣性輪結(jié)構(gòu)，包括水平慣性輪和垂直慣性輪結(jié)構(gòu)。慣性輪的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是航天器的姿態(tài)控制，尤其是小衛(wèi)星的姿態(tài)控制。由于慣性輪的輸出力矩有限，在大型航天器

2、，如空間站的姿態(tài)控制中，多采用控制力矩陀螺作為姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。與慣性輪相比，控制力矩陀螺具有輸出力矩大、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。
　　受此啟發(fā)，本文針對(duì)基于慣性輪結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪機(jī)器人輸出控制力矩小、平衡能力有限的問(wèn)題，研制了一種新型結(jié)構(gòu)的基于陀螺進(jìn)動(dòng)效應(yīng)的獨(dú)輪機(jī)器人。該獨(dú)輪機(jī)器人利用一對(duì)剪式控制力矩陀螺產(chǎn)生的陀螺力矩實(shí)現(xiàn)側(cè)平衡高效控制。剪式陀螺消除了單陀螺結(jié)構(gòu)中力矩方向變化帶來(lái)的前后方向的干擾。
　　在控制方面，對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人控

3、制目前多采用解耦控制方法，將獨(dú)輪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型在平衡點(diǎn)附近解耦為前后動(dòng)力學(xué)模型和左右動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)這兩個(gè)模型設(shè)計(jì)兩個(gè)分離的狀態(tài)反饋控制器。該方法忽略了獨(dú)輪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型之間由于耦合作用帶來(lái)的相互干擾，抗擾動(dòng)性能有待提升。
　　針對(duì)上述控制問(wèn)題，本文提出了一種基于離心力原理的補(bǔ)償控制算法。該算法考慮了獨(dú)輪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)中前后和左右方向之間的離心力項(xiàng)，用離心力矩和陀螺力矩共同補(bǔ)償獨(dú)輪機(jī)器人左右傾斜時(shí)的重力力矩，提高了獨(dú)輪機(jī)器人側(cè)平