自校正仿人智能控制器及其在等擺長倒立擺系統(tǒng)中的應用.pdf

1、如何讓雙足機器人象人一樣奔跑起來，一直以來是科技工作者們持續(xù)研究的熱點和難點。以人類的奔跑動作為例，它包含了單足倒立穩(wěn)定問題，雙足倒立穩(wěn)定問題，人體姿態(tài)控制問題和人體平衡態(tài)的破壞與重建問題。人體的腳關節(jié)、膝關節(jié)、髖關節(jié)等關節(jié)相當于倒立擺的擺桿連接點，人體各關節(jié)之間的骨骼相當于倒立擺的各級擺桿，可見多級倒立擺就是人體奔跑運動的物理模型，其倒立平衡問題的本質(zhì)與雙足機器人奔跑問題的本質(zhì)一致。不僅如此，等擺長多級倒立擺系統(tǒng)也是火箭發(fā)射、機械臂和

2、自平衡小車等系統(tǒng)的物理原型，它們的運動規(guī)律和控制機理具有高度相似性。同時因本文使用的多級倒立擺為等擺長配置，較內(nèi)短外長型擺長配置具有更強烈的非線性、耦合性和自不穩(wěn)定性，使得等擺長多級倒立擺的研究具有相當?shù)奶魬?zhàn)性和趣味性。因此本文選用等擺長三級倒立擺作為研究平臺，旨在研究雙足機器人等類人形機器人快速奔跑起來的平衡本質(zhì)，同時為體操機器人、自由連桿、機械臂等復雜系統(tǒng)的運動控制提供一個新方法、新框架和新角度。
　　現(xiàn)有的多級倒立擺控制方法

3、普遍存在穩(wěn)擺初始條件狹窄的問題，體現(xiàn)在對人提擺的要求特別嚴苛，間接說明了現(xiàn)有控制方法的抗干擾性和魯棒性有待提高。對此本文以“在較大初始條件下實現(xiàn)等擺長三級倒立擺穩(wěn)擺控制，且提出的控制方法應具有較強抗干擾性，魯棒性和廣泛適用性”為研究目標，并將其分解成三個關鍵問題：
　?、贁U大等擺長三級倒立擺穩(wěn)擺初始條件區(qū)間；
　?、谟行V除等擺長三級倒立擺系統(tǒng)測量噪音；
　　③進一步劃分等擺長三級倒立擺非線性區(qū)域，形成最終解決方案。<

4、br>　　針對研究目標和擬解決的三個問題，開展的具體工作如下：
　　首先，利用拉格朗日原理建立了等擺長二級倒立擺和等擺長三級倒立擺的非線性微分方程組并進行參數(shù)辨識，通過線性化，得到其垂直向上位置的線性狀態(tài)空間表達式，為后續(xù)控制方案的分析和設計奠定基礎。
　　接著，針對等擺長多級倒立擺穩(wěn)擺控制初始條件區(qū)間狹窄的問題，在相平面上劃分出線性區(qū)和非線性區(qū)，提出滯環(huán)模糊自校正仿人智能控制器，仿真和實時實驗證實該控制器可有效擴展等擺長多

5、級倒立擺的初始條件區(qū)間。
　　然后，針對倒立擺系統(tǒng)噪音污染問題，提出一種改進型卡爾曼濾波器，將穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波技術(shù)和漸消記憶法結(jié)合起來，形成一種設計穩(wěn)態(tài)卡爾曼濾波器增益矩陣的方法，既滿足運動控制對實時性的較高要求，又能克服濾波器的模型誤差，仿真和實時實驗證實該方法可有效濾除測量噪音，減小各級擺桿的隨機抖動。
　　最后，針對等擺長多級倒立擺非線性區(qū)域較大的問題，在相平面上自然延長線性區(qū)域的分界線，從而將整個相平面細分為九個區(qū)域，