兩輪自平衡機器人的系統(tǒng)設(shè)計及運動控制研究.pdf

1、兩輪自平衡移動機器人屬于輪式移動機器人的范疇，其運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)不同工作環(huán)境的特點使其在民用和軍事上有著廣闊的應(yīng)用前景；同時因為兩輪自平衡機器人是一個本征不穩(wěn)定典型控制系統(tǒng)，具有多變量、高階次、非線性和參數(shù)不確定等特點，使其成為驗證各種控制算法的理想平臺。因此，兩輪自平衡機器人的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義和理論意義。
　　 本文在北京工業(yè)大學人工智能與機器人研究所原有兩輪自平衡機器人研究的基礎(chǔ)上，重點研究了研究所自主研發(fā)

2、的新型兩輪自平衡機器人。通過機器人物理實體的安裝、硬件電路部分的調(diào)試，對機器人控制系統(tǒng)和感知系統(tǒng)有了深入的了解；分析了兩輪機器人自平衡原理，為其自主移動的控制方法研究打下基礎(chǔ)。接著通過分析兩輪自平衡機器人的運動特點，得到其運動學模型，利用拉格朗日方程建立了機器人的動力學模型，為控制方法和控制策略的研究奠定基礎(chǔ)。
　　 在控制方法研究中，首先設(shè)計了線性二次型最優(yōu)控制器，這種線性控制器在仿真研究中都取得很好的控制效果，并有較好的魯棒

3、性，但由于這種控制方法是基于線性化模型的，并且物理系統(tǒng)本身復(fù)雜性等因素，導(dǎo)致在物理平臺實驗結(jié)果并不理想。接著，本文研究并實現(xiàn)了PD控制算法，它可以不基于精確的系統(tǒng)模型，控制器設(shè)計簡單易行，在物理系統(tǒng)平衡實驗中，可以實現(xiàn)平衡控制，但機器人在平衡角度附近振動明顯。
　　 接著，采用模糊控制的思想，在研究了PD控制器在物理實驗中效果的基礎(chǔ)上，建立了控制規(guī)則表式的PD控制器。此控制方法是在分析PD控制實驗的基礎(chǔ)上，建立機器人不同狀態(tài)下P