桌面自平衡機器人的研究與實現(xiàn).pdf

1、輪式自平衡機器人是輪式移動機器人中重要的一類仿生系統(tǒng)。桌面兩輪自平衡機器人不僅在體積、成本上存在優(yōu)勢，而且很多在大型兩輪自平衡機器人上無法實現(xiàn)的控制策略也可以在桌面自平衡機器人上加以實驗，具有廣泛的應(yīng)用前景。因此研究桌面兩輪自平衡機器人的問題成為了研究兩輪機器人技術(shù)的重要問題之一。
　　 本文構(gòu)建并實現(xiàn)了桌面自平衡機器人的物理系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)和仿真環(huán)境下研究了桌面自平衡機器人的數(shù)學(xué)模型和平衡控制策略，取得的研究成果有：
　

2、　 第一：構(gòu)建了桌面自平衡機器人物理實驗平臺
　　 本文總結(jié)了國內(nèi)外相關(guān)的兩輪自平衡機器人實際物理系統(tǒng)，并結(jié)合小型化機器人設(shè)計的經(jīng)驗，構(gòu)建了桌面兩輪自平衡機器人物理系統(tǒng)。包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計以及軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計。并將各個部分進行整合，構(gòu)建成了一個自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強的可靠性、穩(wěn)定性，為一個通用的物理系統(tǒng)，可以驗證各種控制策略。系統(tǒng)設(shè)計基于模塊化設(shè)計，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)質(zhì)量，并且系統(tǒng)具有較強的可擴展

3、性，方便研究人員進行系統(tǒng)的二次開發(fā)。
　　 第二：基于紅外線傳感器的姿態(tài)檢測系統(tǒng)設(shè)計與研究
　　 考慮到桌面機器人受到體積、重量、成本等方面的制約，本系統(tǒng)所使用的傳感器為紅外線傳感器。同時，采用紅外線傳感器的優(yōu)點還在于不存在零點溫漂以及系統(tǒng)累積誤差，提高了測量的準(zhǔn)確度。測量方法采用經(jīng)典的三角測量法。紅外線傳感器將采集到的信號傳送到下位機DSP處理器中，DSP處理器將信號進行相應(yīng)處理，一方面將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成PWM波信號

4、控制電機，另一方面將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式傳送到上位機的監(jiān)測軟件中。設(shè)計并實現(xiàn)了傳輸輔助電路板，用來給上位機提供準(zhǔn)確實時的信號。在上位機監(jiān)測軟件中，可以對采集到的數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，以便對實際得到的數(shù)據(jù)和仿真得到的數(shù)據(jù)進行對比，從而研究桌面自平衡機器人的數(shù)學(xué)模型和控制方法。
　　 第三：對桌面自平衡機器人進行建模并對其進行平衡控制
　　 本文針對桌面自平衡機器人，根據(jù)牛頓經(jīng)典力學(xué)建立其數(shù)學(xué)模型，并對模型進行了線性化，

5、分析其能控性，能觀性。應(yīng)用增量式PID控制策略對機器人進行控制。首先進行仿真實驗，在得到參數(shù)后，對機器人的實際物理系統(tǒng)進行控制，取得良好的控制效果。同時，在PID控制算法上引入了模糊控制，設(shè)計了模糊PID控制器。實驗結(jié)果表明桌面自平衡機器人的物理系統(tǒng)、數(shù)學(xué)建模以及相應(yīng)的控制策略設(shè)計的合理性、可行性以及有效性。并且通過DSP編寫的控制程序亦可實現(xiàn)其他控制策略，為今后的研究提供了便利。
　　 本文的研究工作得到了國家“863計劃”項