兩輪自平衡機器人的運動控制.pdf

1、兩輪自平衡機器人是一種基于倒立擺模型的復(fù)雜非線性系統(tǒng)，是驗證各類控制算法的良好實驗平臺。兩輪自平衡機器人具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、機動能力強的特點，在狹小環(huán)境中具有出色的表現(xiàn)。作為一種方便、環(huán)保的交通工具，在步行街等場合有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文以兩輪自平衡機器人為研究對象，以實現(xiàn)機器人的運動控制為目標，對運動控制中的如下問題進行了研究:
　　1.分析慣性傳感器陀螺儀和加速度計的動、靜態(tài)特性，建立各自的誤差模型。根據(jù)慣性傳感

2、器的特性，結(jié)合卡爾曼濾波理論，實現(xiàn)多慣性傳感器信息融合，最終實現(xiàn)機器人的姿態(tài)解算。
　　2.應(yīng)用牛頓力學(xué)方法建立兩輪自平衡機器人的數(shù)學(xué)模型，并分析了機器人的運動特點。結(jié)合機器人機械結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型將機器人的運動控制分為姿態(tài)控制、速度控制和方向控制三項控制任務(wù)。
　　3.根據(jù)兩輪自平衡機器人的數(shù)學(xué)模型，分析機器人三項控制任務(wù)之間的耦合關(guān)系和動態(tài)實現(xiàn)過程。應(yīng)用拉開三項控制任務(wù)工作頻率的方法，實現(xiàn)三項控制任務(wù)之間的相對獨立。針對機器

3、人實際運行中可能存在的異常狀態(tài)，對常規(guī)PID控制器予以改進。提出一種“快計算，慢輸出”的速度控制方法，更好的實現(xiàn)了兩輪自平衡機器人的運動控制。提出一種雙速度環(huán)速度控制算法，實現(xiàn)了機器人速度控制和方向控制在車輪層面上的閉環(huán)控制。
　　4.利用自行設(shè)計的兩輪自平衡機器人硬件平臺設(shè)計實驗，驗證了上述姿態(tài)解算、運動控制方法的有效性和可行性?？紤]機器人實際運行的客觀需要介紹了兩輪自平衡機器人的安全保護策略。
　　理論分析與實驗結(jié)果表明