獨(dú)輪機(jī)器人姿態(tài)控制研究.pdf

1、獨(dú)輪機(jī)器人是一種本征不穩(wěn)定的輪式移動(dòng)機(jī)器人，具有多變量、高度非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變、欠驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，可以作為驗(yàn)證各種控制算法的理想平臺(tái)，具有十分重要的理論意義。同時(shí)它體積較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活，適于在狹小的空間工作，因而有著廣泛的應(yīng)用前景。
　　本文旨在探討?yīng)気啓C(jī)器人姿態(tài)控制算法設(shè)計(jì)相關(guān)問題，為最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主移動(dòng)打下基礎(chǔ)。
　　首先通過分析獨(dú)輪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得到了機(jī)器人動(dòng)能和勢(shì)能的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù) Lagrange方

2、程法建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，為控制器設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。其次，為將復(fù)雜的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程用于獨(dú)輪機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，根據(jù)方程本身的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將獨(dú)輪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分解成側(cè)位姿平衡動(dòng)力學(xué)、前后運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)三部分，并相應(yīng)地得到三個(gè)狀態(tài)空間子模型。然后，基于簡(jiǎn)化模型提出了簡(jiǎn)單實(shí)用的姿態(tài)控制方案。即，分別獨(dú)立設(shè)計(jì)側(cè)位姿平衡和前后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)反饋控制器，并運(yùn)用變?cè)鲆婵刂品椒紤]側(cè)位姿平衡動(dòng)力學(xué)、前后運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)之間的耦合效

3、應(yīng)，最后通過兩個(gè)控制器的聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪機(jī)器人直線移動(dòng)狀態(tài)下的姿態(tài)控制。
　　采用Lyapunov直接法分析證明了在直立狀態(tài)附近這一鄰域內(nèi),姿態(tài)鎮(zhèn)定控制下獨(dú)輪機(jī)器人系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，說明了設(shè)計(jì)的合理性。然后利用MatlAB工具對(duì)獨(dú)輪機(jī)器人姿態(tài)控制器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果驗(yàn)證了所提控制算法的可行性和有效性。同時(shí)，機(jī)器人左右和前后方向的干擾仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的姿態(tài)控制系統(tǒng)具有抗干擾能力。
　　為使欠驅(qū)動(dòng)獨(dú)輪機(jī)器人具有自由行走能力，