两轮自平衡机器人控制算法的研究
基于倒立摆模型的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。 本文旨在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。采用牛顿动力学方法，对两轮自平衡机器人进行了运动学和动力学分析，建立了系统的数学模型，为控制器设计提供理论依据。根据两轮自平衡机器人所用传感器的特点，提出了一种基于陀螺仪和加速度计数据融合的间接卡尔曼滤波算法，得到最优的倾角及角速度估计。将系统解耦成前进与转向两个子系统。针对具有强非线性的前进子系统，论证了基于近似线性化、精确线性化及智能控制的非线性系统控制策略的应用可行性，据此按照不同性能要求设计了三种前进速度控制器：渐近跟踪鲁棒调节器简单精确，具有良好的干扰抑制能力；二次型最优跟踪控制器，在耗能最小的条件下，大大提高系统的平衡能力；而基于动态聚焦学习的模糊模型参考学习控制则兼具平衡性能好、环境适应性强、精度高及鲁棒性好的优点。对于线性的转向子系统，通过极点配置设计了对转速进行控制的Ⅰ型伺服系统。在速度控制器基础上，采用控制Lyapunov函数(CLF)方法设计了具有全局渐近稳定的控制律，实现了两轮自平衡机器人的位置控制和轨迹跟踪控制。 利用MATLAB及Simulink对上述滤波器、控制器进行仿真，并通过两轮自平衡机器人系统实验平台进行数据融合、平衡控制、鲁棒性、速度跟踪实验，获得了期望的平衡与速度跟踪性能，验证了数据融合算法和相应控制器的正确性与有效性。
自平衡机器人;控制算法;Lyapunov函数;伺服系统;仿真分析
哈尔滨工业大学
硕士
机械电子工程
赵杰
2006
中文
TP242.6
76
2013-03-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）