單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)建模與自平衡控制研究.pdf

1、分類號(hào)：密級(jí)：UDC：學(xué)號(hào)：碩士學(xué)位論文2017年5月31日單球自平衡移動(dòng)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人機(jī)器人系統(tǒng)建模與自平衡控制系統(tǒng)建模與自平衡控制研究研究SystemModelingResearchonSelfBalancingControlofaSingleBallSelfBalancingMobileRobot學(xué)位類別：全日制工學(xué)碩士作者姓名：劉龍細(xì)學(xué)科、專業(yè)：機(jī)械電子工程指導(dǎo)教師：劉飛飛教授研究方向：機(jī)器人與智能控制江西理工大學(xué)碩士學(xué)位

2、論文摘要I摘要單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人源于倒立擺模型，是一個(gè)典型的多變量、非線性、高階次、強(qiáng)耦合和靜態(tài)不穩(wěn)定系統(tǒng)。單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人模型的控制理論，也被廣泛的應(yīng)用于機(jī)器人及人工智能控制、導(dǎo)彈攔截及空間站的對(duì)接控制、火箭發(fā)射及航天器飛行中的姿態(tài)控制等領(lǐng)域。本文針對(duì)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人的自平衡控制問(wèn)題，研制了物理樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了力學(xué)建模與控制算法的研究，取得了以下主要研究成果：首先，通過(guò)對(duì)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特性的研究，同時(shí)

3、參考“Rezero”機(jī)器人的設(shè)計(jì)，建立起了單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人的物理樣機(jī)。建立的物理樣機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上將三個(gè)全向輪軸線與鉛垂線之間的夾角設(shè)計(jì)的更小，使全向輪與驅(qū)動(dòng)球體之間的有效摩擦力更大，運(yùn)動(dòng)的傳遞效率也更高。此外，單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人整個(gè)控制系統(tǒng)的主控制器使用的是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的型號(hào)為TMS320FC28335的高速DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）開發(fā)板，同時(shí)以超核電子推出的一款高性能九軸姿態(tài)傳感器作為檢測(cè)裝置，從而使整個(gè)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人

4、控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快、精度與效率都更高。其次，在系統(tǒng)分析和研究單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人模型等效為原理簡(jiǎn)單、理論成熟的一級(jí)倒立擺模型及IASMP（InverseAtlasSphericalMotionPlatfm）模型，極大地提高了單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)建模的準(zhǔn)確性與可靠性。同時(shí)利用歐拉拉格朗日方程與雅可比矩陣分別對(duì)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并將建立的動(dòng)力學(xué)方程在系統(tǒng)狀態(tài)零點(diǎn)附近進(jìn)行

5、了線性化處理得到了線性化模型，最后對(duì)線性化模型進(jìn)行了能控性、能觀性及穩(wěn)定性分析。然后，針對(duì)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人的自平衡控制（包括位置控制與傾角控制）問(wèn)題設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的PID與LQR兩種控制算法。其中PID控制算法主要對(duì)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人的位置進(jìn)行控制、LQR控制算法主要對(duì)單球自平衡移動(dòng)機(jī)器人的傾角進(jìn)行控制。同時(shí)運(yùn)用MATLABSIMULINK軟件分別對(duì)PID與LQR兩種控制算法的控制效果進(jìn)行了仿真與分析。最后，根據(jù)單球自平