基于學(xué)習(xí)控制的兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)控制研究.pdf

1、兩輪自平衡機(jī)器人是一種本質(zhì)不穩(wěn)定的移動(dòng)機(jī)器人。其動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定性等特性。它已經(jīng)成為了檢驗(yàn)各種控制理論的理想平臺(tái)。兩輪自平衡機(jī)器人僅靠兩個(gè)輪子支撐車體,采用蓄電池提供動(dòng)力,由兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),采用姿態(tài)感知系統(tǒng)、通過姿態(tài)控制算法控制車體的平衡。它結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)靈活、適于在狹小的空間工作,有著廣泛的應(yīng)用前景。兩輪自平衡機(jī)器人能夠完成多輪機(jī)器人無法完成的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)及操作,特別適用于工作環(huán)境變化大、任務(wù)復(fù)雜的場合

2、,如空間探索、地形偵察、危險(xiǎn)品運(yùn)輸?shù)?此外,還可以用于玩具、教育和服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。因此開展兩輪自平衡機(jī)器人的研究有著重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。
　　 本文對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)和歸納。依據(jù)假定的理想條件和對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析,使用拉格朗日法建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型,并推導(dǎo)出姿態(tài)平衡的最大可控角度,為兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)控制系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　 本文提出了兩輪自平衡機(jī)

3、器人的構(gòu)建方案,設(shè)計(jì)了兩輪自平衡機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。為了確定機(jī)器人的平衡的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),設(shè)計(jì)了以硅微加速計(jì)和硅微陀螺為傳感器的姿態(tài)感知系統(tǒng),可提供機(jī)器人傾角和角速度信號(hào)以監(jiān)測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài);構(gòu)建了基于FPGA的兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)控制系統(tǒng)。
　　 硅微加速計(jì)和硅微陀螺是姿態(tài)感知系統(tǒng)的主要傳感器,它們的精度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)精度和性能。硅微慣性器件在體積和成本上的優(yōu)點(diǎn)較為突出,但在分辨率和精度上存在著很大的不足。與硅微加速度計(jì)相比,硅

4、微陀螺儀的發(fā)展較為滯后。為了降低加速度計(jì)和陀螺儀的誤差對(duì)系統(tǒng)的不利影響,對(duì)硅微加速度計(jì)和硅微陀螺進(jìn)行了標(biāo)定,在此基礎(chǔ)上利用卡爾曼濾波算法對(duì)硅微加速度計(jì)和硅微陀螺信息進(jìn)行融合,計(jì)算出車體的傾斜角度,提高了姿態(tài)信號(hào)的精度
　　 傳統(tǒng)的控制規(guī)律主要是PID控制,此方法簡單有效、適用性強(qiáng),是最成熟的控制方法。但是它最大的缺點(diǎn)是PID參數(shù)不能調(diào)節(jié),當(dāng)工況改變時(shí),控制參數(shù)卻不能做相應(yīng)改變,這必然會(huì)造成控制效果下降。近年來,強(qiáng)化學(xué)習(xí)作為一種學(xué)

5、習(xí)控制算法得到了極大的發(fā)展。強(qiáng)化學(xué)習(xí)不需要先驗(yàn)的知識(shí),能通過與環(huán)境的交流改進(jìn)自身的控制策略。由于它的自學(xué)習(xí)特性,強(qiáng)化學(xué)習(xí)被用于很多領(lǐng)域。其中典型案例有,強(qiáng)化學(xué)習(xí)被成功地運(yùn)用于倒立擺的平衡控制中。在平衡控制的原理方面,兩輪自平衡機(jī)器人和倒立擺是極為相似的。因此本文運(yùn)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的原理設(shè)計(jì)了兩輪自平衡機(jī)器人的姿態(tài)控制器,以此實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡控制。兩輪自平衡機(jī)器人的所有運(yùn)動(dòng)方式都以平衡控制為前提,平衡控制是兩輪自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的關(guān)鍵。