獨輪車機器人的樣機設(shè)計與平衡運動控制研究.pdf

1、獨輪車機器人屬于自然不穩(wěn)定系統(tǒng),其車體側(cè)向傾角和前后俯仰角無直接驅(qū)動，需要通過擺輪以及行走輪與車架之間的力學耦合保持車體平衡。平衡控制是獨輪車機器人研究首要面對的問題，也是其軌跡跟蹤和避障控制的前提和基礎(chǔ)。本文以一種垂直擺輪式獨輪車機器人為對象，從力學建模、物理樣機結(jié)構(gòu)設(shè)計、平衡控制器設(shè)計、虛擬樣機控制仿真和物理樣機實驗幾個方面對系統(tǒng)進行研究。論文完成的工作如下：
　?。?）對垂直擺輪式獨輪車機器人的運動學和動力學進行數(shù)學分析，采

2、用查浦雷金方法建立系統(tǒng)的欠驅(qū)動力學模型。
　?。?）設(shè)計并搭建完成一臺以行走車輪作為機器人俯仰平衡控制機構(gòu)，以腰輪作為航向調(diào)整機構(gòu)，以垂直擺輪作為側(cè)向平衡控制機構(gòu)，以TMS320F28335數(shù)字信號處理器（DSP）作為控制硬件核心，利用慣性測量單元（IMU）采集獨輪車機器人姿態(tài)數(shù)據(jù)，利用RS232串行總線進行數(shù)據(jù)通訊的獨輪車機器人物理樣機。基于搭建完成的獨輪車機器人物理樣機，以MPC2000型轉(zhuǎn)動慣量測試儀為平臺，測量了機器人的質(zhì)

3、量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量；完成了擺輪電機的速度響應實驗、電流響應實驗、電流與力矩數(shù)學模型辨識等一系列基礎(chǔ)實驗。
　　（3）采用部分反饋線性化方法設(shè)計完成獨輪車機器人的側(cè)向平衡控制器和俯仰平衡控制器，對車體側(cè)向平衡運動和前后平衡運動進行了數(shù)值仿真，從中驗證控制器設(shè)計的可靠性與有效性。基于側(cè)向平衡控制器對PID參數(shù)進行了數(shù)值分析，得到既滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性，又滿足電器特性的控制參數(shù)集合。
　?。?）在Adams環(huán)境下建立獨輪車機器人虛擬

4、樣機模型，在Matlab中基于反饋線性化建立系統(tǒng)的平衡控制模型。聯(lián)合Adams與Matlab進行平衡運動控制仿真，實現(xiàn)獨輪車機器人的側(cè)向平衡控制、俯仰平衡控制和拆卸輔助輪后的定車運動控制?；趥?cè)向平衡虛擬樣機模型，分析了控制參數(shù)與機械參數(shù)對機器人系統(tǒng)的動態(tài)響應的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，減輕車身質(zhì)量和降低機器人整體質(zhì)心以及合理選擇控制器參數(shù)，能大幅度降低對電機驅(qū)動能力的要求，且能提高平衡控制效果。
　?。?）利用搭建的獨輪車機器人物理樣機模