学位专题

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两轮机器人动力学建模与控制方法研究

王凯
北京航空航天大学
引用
倒立摆式两轮自平衡机器人属于轮式机器人的范畴,并结合了自主移动的思想,其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景;同时由于其不稳定的动态特性,两轮自平衡机器人成为验证各种控制算法的理想平台,具有重要的理论意义。两轮自平衡机器人属于非线性、时变、欠驱动、非完整约束系统,控制问题是其研究的关键。 本文探讨两轮自平衡机器人控制算法设计相关问题,为最终实现完全自主移动打下基础。采用拉格朗日动力学方法,对两轮自平衡机器人进行了运动学和动力学分析,建立了以电机转矩为输入且轮在轴向无滑移的非完整约束下系统的数学模型。为控制器设计提供理论依据。运动控制目标是两轮自平衡机器人在二维平面内按指定的方向和速度运动,同时保持摆杆平衡。 将系统解耦成前进与转向两个子系统。基于近似线性化,利用状态反馈,构造闭环系统的状态方程,通过极点配置求得控制量。利用MATLAB及Simulink对控制器进行仿真,获得了期望的平衡与速度跟踪性能,验证了相应控制器的正确性与有效性。 基于精确线性化,得到系统部分反馈线性化模型以及内力方程,进而设计两层控制器来跟踪两轮自平衡机器人的速度,同时保持车体平衡。并对控制算法进行仿真,由仿真曲线看出该算法有良好的动态响应,且收敛迅速。验证了控制算法的有效性。

轮式机器人;非完整约束;拉格朗日动力学;状态反馈;极点配置;反馈线性化

北京航空航天大学

硕士

一般力学与力学基础

王士敏

2007

中文

TP242.2;TP273.5

68

2008-01-24(万方平台首次上网日期,不代表论文的发表时间)

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