自行車機(jī)器人非線性系統(tǒng)中若干問題的研究.pdf

1、自行車機(jī)器人是一個(gè)非線性自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靜態(tài)不穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)。由于自行車機(jī)器人本身的本質(zhì)非線性、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，以及其所具有的復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，都使得自行車機(jī)器人的自穩(wěn)定控制比較困難。自行車機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模與控制問題成為了機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域的研究難點(diǎn)之一。關(guān)于這種輪式自不穩(wěn)定機(jī)器人的研制，在國(guó)內(nèi)尚屬首創(chuàng)。一方面，自行車機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型的建立方法多樣，具有很大的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，國(guó)際上關(guān)于自行車機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模

2、研究所建立的模型尚不完善。另一方面，從控制理論的角度，對(duì)于自行車機(jī)器人所使用的控制方法，也是實(shí)現(xiàn)自行車機(jī)器人自穩(wěn)定的關(guān)鍵。國(guó)際上現(xiàn)有的控制方法，大都停留在計(jì)算機(jī)仿真或經(jīng)典控制理論的程度上。并且，對(duì)于自行車機(jī)器人控制的工程實(shí)踐而言，需要考慮的因素比較多。尤其是自行車機(jī)器人橫滾角度的測(cè)量，以及控制算法的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性都直接影響著實(shí)驗(yàn)的效果。本文以自行車機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模與控制問題作為研究對(duì)象，分別建立了3種調(diào)節(jié)方式(轉(zhuǎn)動(dòng)車把調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)

3、動(dòng)車把調(diào)節(jié)與后輪驅(qū)動(dòng)速度調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)動(dòng)車把調(diào)節(jié)、后輪驅(qū)動(dòng)速度調(diào)節(jié)和移動(dòng)重心調(diào)節(jié))下的自行車機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，并分別對(duì)其控制方法進(jìn)行了研究?；谶@些動(dòng)力學(xué)模型和控制方法，設(shè)計(jì)了自行車機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)，并進(jìn)行了自行車機(jī)器人的控制實(shí)踐。文中的主要內(nèi)容和成果如下： 1、采用拉格朗日方法建立了依靠調(diào)節(jié)車把保證自行車機(jī)器人平衡的SISO非線性動(dòng)力學(xué)模型。使用近似線性化的方法將該非線性模型進(jìn)行了線性化，基于經(jīng)典控制理論為線性化模型設(shè)計(jì)了控制器。使

4、用SISO仿射非線性系統(tǒng)描述了所建立的自行車機(jī)器人非線性動(dòng)力學(xué)模型，利用非線性微分同胚變換將該系統(tǒng)化成了Byres-lsidori非線性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型形式。該系統(tǒng)由一個(gè)可線性化子系統(tǒng)和一個(gè)具有非最小相位零動(dòng)態(tài)的子系統(tǒng)組成?；诰_反饋線性化理論鎮(zhèn)定了可線性化子系統(tǒng)，基于中心流形定理鎮(zhèn)定了該系統(tǒng)的不穩(wěn)定的零動(dòng)態(tài)。并在此基礎(chǔ)上為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊滑?？刂破?，從而能夠更加有效的實(shí)現(xiàn)自行車機(jī)器人的穩(wěn)定控制。為實(shí)現(xiàn)自行車機(jī)器人系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定控制提供

5、了一定的基礎(chǔ)和新的思路。 2、采用拉格朗日方法建立了以轉(zhuǎn)動(dòng)車把和改變后輪驅(qū)動(dòng)速度作為調(diào)節(jié)方式的自行車機(jī)器人的2輸入2輸出的非線性動(dòng)力學(xué)模型。給出了該模型的MIMO仿射非線性系統(tǒng)的表達(dá)形式。并基于MIMO仿射非線性系統(tǒng)輸入輸出線性化理論為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的精確線性化和對(duì)于新輸入的解耦。 3、基于拉格朗日方法提出了以轉(zhuǎn)動(dòng)車把的控制量、調(diào)整后輪驅(qū)動(dòng)速度的控制量和調(diào)節(jié)機(jī)器人重心的控制量作為輸入量的自行車機(jī)器人的3輸

6、入3輸出的非線性動(dòng)力學(xué)模型。使用MIMO仿射非線性系統(tǒng)描述了該模型，并基于MIMO仿射非線性系統(tǒng)的輸入輸出反饋線性化理論為該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制器，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的精確線性化和對(duì)于新輸入的解耦。 4、分析了一種新型獨(dú)輪車機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，基于拉格朗日定理建立了獨(dú)輪車機(jī)器人的非線性動(dòng)力學(xué)模型。以車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的控制量、調(diào)節(jié)重心機(jī)構(gòu)的控制量和車體航向的控制量作為該模型的輸入，以車體的俯仰角度、橫滾角度和航向角度作為系統(tǒng)的輸出?；贛IMO仿射非線性