變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf_第1頁(yè)
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1、變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人是兩車(chē)輪前后分布的自行車(chē)和兩車(chē)輪左右分布的Segway兩者相結(jié)合的產(chǎn)物,是兩輪車(chē)家族中的一名新成員。這種機(jī)器人可通過(guò)改變兩側(cè)車(chē)把轉(zhuǎn)角的大小,使系統(tǒng)工作于不同的工作模式以適應(yīng)不同的地形環(huán)境和任務(wù)要求。變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人的研究是一個(gè)系統(tǒng)工程,而平衡控制則是其中的基礎(chǔ)。本文主要針對(duì)系統(tǒng)在工作模式動(dòng)態(tài)切換中涉及的一些平衡問(wèn)題展開(kāi)研究,主要完成如下工作:
  (1)對(duì)變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,根據(jù)車(chē)輪與地

2、面純滾動(dòng)假設(shè)以及兩車(chē)輪質(zhì)心速度關(guān)系推導(dǎo)出系統(tǒng)的完整約束和非完整約束,采用查浦雷金方法建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型?;谠撃P头治隽瞬糠譅顟B(tài)下車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力矩與車(chē)架俯仰角、車(chē)把轉(zhuǎn)角、車(chē)把轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系。
  (2)設(shè)計(jì)并搭建了變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人的物理樣機(jī),包括機(jī)械本體和測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái),其中,測(cè)控系統(tǒng)以工控機(jī)(IPC)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為控制核心,綜合慣性測(cè)量單元(IMU)、光電編碼器、電流傳感器獲取系統(tǒng)的狀態(tài)變量,采用ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊

3、完成數(shù)據(jù)的上傳和控制指令的下達(dá);采用VS2010、MATLAB GUI等開(kāi)發(fā)工具完成了變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人上位機(jī)監(jiān)控程序的開(kāi)發(fā),為系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作分析設(shè)計(jì)了一個(gè)方便簡(jiǎn)潔的人機(jī)交互界面。
  (3)針對(duì)在同步轉(zhuǎn)動(dòng)車(chē)把情況下進(jìn)行模式切換的特殊情形,對(duì)系統(tǒng)力學(xué)模型進(jìn)行降維,得到固定車(chē)把下的力學(xué)模型;基于部分反饋線(xiàn)性化方法設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人固定車(chē)把為0?、?45?時(shí)的定車(chē)運(yùn)動(dòng)平衡控制器,對(duì)固定車(chē)把下的定車(chē)平衡運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了數(shù)值仿真和物理樣機(jī)

4、實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了幾組固定角度下的定車(chē)平衡運(yùn)動(dòng)控制。
  (4)對(duì)車(chē)把在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)的原地模式切換問(wèn)題進(jìn)行了研究,基于部分反饋線(xiàn)性化方法設(shè)計(jì)變結(jié)構(gòu)兩輪車(chē)機(jī)器人模式切換運(yùn)動(dòng)的平衡控制器,并引入模糊方法對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)整定提高系統(tǒng)的魯棒性;對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真和物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)現(xiàn)了車(chē)把擺動(dòng)情況下的原地模式切換運(yùn)動(dòng)控制。
  (5)對(duì)車(chē)把在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)的行進(jìn)中模式切換問(wèn)題進(jìn)行了研究,在原地模式切換基礎(chǔ)上,調(diào)整車(chē)架俯仰角

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