兩輪自平衡機器人運動及其控制策略研究.pdf

1、兩輪自平衡機器人作為一種特殊的倒立擺式的移動機器人，具有非完整、非線性、欠驅(qū)動和不穩(wěn)定等特點，這使它能夠成為驗證各種控制算法的理想平臺。同時它具有運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單，容易控制的特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。可用于交通、教育、服務(wù)機器人和玩具等領(lǐng)域。所以開展兩輪自平衡機器人方面的研究工作對提高我國在該領(lǐng)域的科研水平、擴展機器人的應(yīng)用背景等具有重要的理論與現(xiàn)實的意義。
　　兩輪自平衡機器人的本體結(jié)構(gòu)對自平衡及運動控制有著重要的影響，通過分

2、析兩輪自平衡機器人的運動規(guī)律，建立了機器人的運動學(xué)模型，得到了機器人動能、勢能的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)拉格朗日法建立了機器人的動力學(xué)模型，為機器人結(jié)構(gòu)和控制策略的設(shè)計提供了理論依據(jù)。
　　為了確定機器人的平衡的運動姿態(tài)，設(shè)計了多慣性傳感器三軸姿態(tài)檢測系統(tǒng)來測量機器人的三個軸向的偏轉(zhuǎn)角度與角速度。針對機器人不同位姿狀態(tài)的動態(tài)特性和非線性程度，在考慮了姿態(tài)檢測系統(tǒng)的誤差的基礎(chǔ)上，通過對低成本的慣性傳感器的誤差補償，提出了利用Unscente

3、d卡爾曼濾波(UKF)算法設(shè)計了基于四元數(shù)的姿態(tài)估計器，得到了機器人姿態(tài)的最優(yōu)估計，提高了機器人控制的精度，實現(xiàn)了機器人的平衡姿態(tài)控制與局部導(dǎo)航定位。
　　兩輪自平衡機器人所有的運動控制方式都以平衡控制為前提。平衡控制是兩輪自平衡機器人運動的關(guān)鍵。本文在機器人動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了線性二次型最優(yōu)跟蹤控制器(LQR)和基于T-S模糊模型的機器人自平衡控制器，分別來實現(xiàn)兩輪自平衡機器人的平衡控制。本文還對兩輪自平衡機器人的動態(tài)平衡

4、和穩(wěn)定魯棒性和性能魯棒性進行了研究。通過仿真實驗與實驗驗證，這兩種方法對于兩輪自平衡機器人的平衡控制自平衡、抗干擾和調(diào)整時間上的都是有效可行的，并探討了不同負(fù)載對于平衡控制的影響。
　　兩輪自平衡機器人在平衡控制的基礎(chǔ)上，又對機器人的軌跡跟蹤控制進行了研究。提出了預(yù)測控制的軌跡跟蹤控制方法，對非完整輪式移動機器人的軌跡跟蹤問題進行了研究。預(yù)測控制在系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上采用先預(yù)測后控制，滾動優(yōu)化，反饋校正的方式進行控制，對位姿誤差與軌跡

5、誤差進行估計，實現(xiàn)了對預(yù)定軌跡的準(zhǔn)確跟蹤。文中還對兩輪自平衡機器人在坡面運動的情況進行了探索性研究。
　　本文對兩輪自平衡機器人的控制進行了實驗。首先敘述了自行研制的兩輪自平衡機器人樣機。在樣機上驗證了機器人的運動功能，本文分別進行了自平衡控制、變負(fù)載平衡控制實驗、坡面運動控制實驗和軌跡跟蹤的實驗。實驗結(jié)果表明，所提出的平衡控制方法與軌跡跟蹤控制策略的正確可行的。同時驗證了兩輪自平衡機器人樣機的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上是合理的，能夠滿足機器人