站球機(jī)器人及其自平衡控制.pdf

1、自平衡機(jī)器人大多具有非線性的特點(diǎn)，是典型的多變量欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)于這種系統(tǒng)的控制方法研究一直是控制科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。本文研制了一種能夠在圓球上保持平衡的站球機(jī)器人，與通過兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪保持平衡的兩輪自平衡機(jī)器人相比，該機(jī)器人只使用了一個(gè)球形輪就實(shí)現(xiàn)了相同的功能。由于系統(tǒng)模型更加復(fù)雜，對(duì)控制方法的要求更高，因此，站球機(jī)器人是研究和驗(yàn)證各種控制算法的理想平臺(tái)。
　　本文主要針對(duì)站球機(jī)器人及其自平衡控制進(jìn)行研究。首先，建立了站球機(jī)器人的數(shù)

2、學(xué)模型;其次，分別設(shè)計(jì)了線性二次型調(diào)節(jié)器(Linear Quadratic Regulator,LQR)和分層滑?？刂破?Hierarchical Sliding Mode Controller,HSMC)對(duì)站球機(jī)器人進(jìn)行平衡控制;最后，通過仿真和實(shí)際的實(shí)驗(yàn)對(duì)本文所使用的方法進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。論文的主要內(nèi)容如下:
　　(1)站球機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)了站球機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);其次，以ARM嵌入式系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)了站球機(jī)器人的硬件

3、和軟件系統(tǒng);最后，利用姿態(tài)解算的算法對(duì)站球機(jī)器人上的傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而解算出站球機(jī)器人的姿態(tài)角。
　　(2)站球機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)建模。本文在參考了卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的三維建模方法的基礎(chǔ)上使用拉格朗日方程建立了站球機(jī)器人的三維數(shù)學(xué)模型并分析了線性化的系統(tǒng)模型的特性。
　　(3)站球機(jī)器人的平衡控制器設(shè)計(jì)。對(duì)站球機(jī)器人的模型在平衡點(diǎn)附近進(jìn)行局部線性化處理，在此基礎(chǔ)上，分別使用線性二次最優(yōu)控制方法和分層滑?？刂品椒ㄔO(shè)計(jì)