兩輪自平衡移動機器人建模與控制研究.pdf

1、輪式倒立擺是一類欠驅(qū)動結(jié)構(gòu),它被廣泛地應(yīng)用在自主移動機器人和智能小型交通工具上,其動力學(xué)模型具有不穩(wěn)定、多變量、強耦合、非線性等特點,是檢驗控制方法有效性的重要平臺。由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小,可以在狹小、危險以及人無法到達(dá)的環(huán)境運動,因此基于輪式倒立擺的移動機器人在民用、工業(yè)、軍事、航天航空中都有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文研究了輪式倒立擺的結(jié)構(gòu),在非完整約束情況下建立其在平坦地面上運動時的動力學(xué)模型,并實現(xiàn)輪式倒立擺的平衡點控制和速

2、度控制。在此基礎(chǔ)上,提出一種基于輪式倒立擺的新型座椅自平衡兩輪機器人,它本質(zhì)上是一類兩輪自平衡移動機器人。它的下體部分是由兩個同軸、左右平行分布的車輪的傳統(tǒng)輪式倒立擺構(gòu)成;上體由直線電機驅(qū)動的可移動座椅組成。主體結(jié)構(gòu)類似于輪式倒立擺系統(tǒng),但它優(yōu)于輪式倒立擺系統(tǒng),具有更多的運動自由度。車體的重心在兩個車輪的上方,通過可移動座椅運動實現(xiàn)自平衡。該移動機器人作為個人交通工具,具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、能夠與其他座椅自平衡兩輪機器人共用一個

3、車道或車位、低排放等特點,特別適合狹小空間的運載操作。與已有的基于輪式倒立擺的個人交通工具等相比,座椅自平衡兩輪機器人增加的可移動座椅,解決了駕駛者在行駛過程中的疲勞問題。
　　本文在分析新型座椅自平衡兩輪機器人的發(fā)展和特點的基礎(chǔ)上,根據(jù)該機器人的機械結(jié)構(gòu),計算得到機器人各部分的動能、勢能和耗散能,再采用拉格朗日運動方程的方法建立了座椅自平衡兩輪機器人在平坦路面和不平坦路面上運動的二維動力學(xué)模型,進(jìn)一步得到了其在平坦地面上運動的三

4、維動力學(xué)模型。在這些模型的基礎(chǔ)上,計算得到該機器人在運動過程中的平衡點,通過設(shè)計LQR控制器和滑?？刂破?實現(xiàn)了其在直線運動和拐彎運動時的速度控制。為了改進(jìn)速度控制的性能,進(jìn)一步提出了一種改進(jìn)的滑?？刂品椒?使座椅自平衡兩輪機器人在速度控制過程中收斂到期望值的速度更快。
　　為了驗證理論分析,本文分別在MATLAB和動態(tài)物理引擎ODE仿真環(huán)境中實現(xiàn)了輪式倒立擺和座椅自平衡兩輪機器人的控制。ODE是一個典型的三維多物體動態(tài)仿真引擎,