两轮自平衡机器人系统设计及控制研究

北京工业大学硕士学位论文两轮自平衡机器人系统设计及控制研究姓名：刘江申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：阮晓钢20070501两轮自平衡机器人系统设计及控制研究作者：刘江学位授予单位：北京工业大学相似文献(5条)1.学位论文狄海江两轮自平衡机器人中若干问题研究2008本文针对两轮自平衡机器人运动平衡控制中涉及的重心调节、传感器滤波等问题进行了分析和研究,取得了如下研究成果：第一：重心可调节两轮自平衡机器人的设计与研究。本文设计了一款新型的两轮自平衡机器人,该机器人借鉴当今两轮自平衡机器人设计中经典思想,在此基础上,提出了一种重心可调节的两轮自平衡机器人的设计思路,并且针对重心可调节问题建立两轮自平衡机器人的数学模型进行仿真,得到两轮自平衡机器人重心对平衡控制的影响规律,为今后此类机器人的设计提供了参考。第二：两轮自平衡机器人中传感器信号的滤波问题研究。本文针对两轮自平衡机器人中使用的姿态传感器陀螺仪信号存在的多噪声、零位误差问题设计了简单低通滤波器和卡尔曼滤波器,对检测到的传感器信号进行处理,并对不同的滤波器的滤波效果进行了比较,结果表明卡尔曼滤波器在处理陀螺仪信号噪声和零位误差问题上具有很好的滤波作用和效果。第三：两轮自平衡机器人直流电动机调速问题研究。本文设计了基于单闭环的直流电动机调速系统。对于两轮自平衡机器人的平衡控制,一个很重要的问题就是对机器人的两个直流电动机的控制。直流电动机调速系统稳定、准确与否对两轮自平衡机器人的控制有很重要的影响。本文设计的单闭环直流电机调速系统能够及时准确地响应控制信号,与同样性能的电动机伺服系统相比具有硬件少,成本低的优点。本文的研究工作得到了国家自然科学基金的支持,相关的研究成果已经获得国家知识产权局颁发的专利证书,所写论文被第七届全球智能与控制大会正式录用(EI检索)。本文的研究工作对于两轮自平衡机器人的设计与控制研究有积极的意义,可广泛应用于移动机器人、自动控制、传感器滤波等领域。2.学位论文巩佳伟基于虚拟样机技术的两轮自平衡机器人的仿真研究2009两轮自平衡机器人是轮式移动机器人中重要的一类仿生系统，其运动平衡控制问题是机器人学和机器人技术研究中的重要问题之一。为了验证两轮自平衡机器人设计的有效性和提高两轮自平衡机器人设计的效率，本文采用虚拟现实技术对两轮自平衡机器人进行了仿真研究。取得了如下成果：1、建立了机器人的运动坐标体系，及其等效简化结构的多刚体动力学模型和运动学模型，对两轮自平衡机器人进行了运动学和动力学分析，特别地，导出了其简化结构多刚体系统的lagrange动力学方程组，针对机器人在倾斜面上的运动，建立了两轮自平衡机器人特定运动模式下的数学模型；同时分析研究了两轮自平衡机器人重心位置不同情况下的性能变化情况。2、参照两轮自平衡机器人实际的几何参数、物理特性，建立了两轮自平衡机器人的三维实体模型，并利用ADAMS的专业图形接口，创建约束，建立了三维虚拟现实环境中的两轮自平衡机器人的仿真模型。3、在三维虚拟现实的环境中，应用PID控制方法实现了两轮自平衡机器人的姿态平衡控制和速度控制、越障控制。首先，证明机器人系统在稳定点邻域局部可控。然后，将系统解耦成为直线运动子系统和旋转运动子系统，分别控制两个子系统。最后，针对机器人直立平衡和速度控制、越障控制进行仿真实验与实际系统实验，实验结果显示控制方法可行。本文的研究工作得到了国家自然科学基金的支持，相关研究成果已经得到国家知识产权局的软件著作权授权证书，所写论文被2009中国自动化学会二十四届青年学术年会正式录用。本文的研究工作对于两轮自平衡机器人在虚拟现实环境下的应用与实现具有一定的参考价值。3.学位论文程刚两轮自平衡小车的设计与大范围稳定控制的研究2009两轮自平衡小车是一种特殊轮式移动机器人，其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性。由于具有广泛的应用背景和研究价值，时下对两轮移动机器人的理论和应用研究日益受到国内外控制界的重视。本文研究的本质不稳定两轮自平衡机器人是一种复杂的研究性实验装置，已成为理想的控制理论和控制方法研究的实验平台。本文研究的重点主要集中在以下两个方面：一是对两轮自平衡小车硬件电路的设计与实现问题；二是利用智能控制和最优控制来研究和实现两轮自平衡小车在大范围可控的问题。通过分析和借鉴国内外两轮自平衡小车的结构组成，我们设计完成了两轮自平衡小车的硬件系统。在对动力学和运动学分析研究的基础上，探索性的引入了小车的非线性模型。另一方面，在对小车最大角度可控分析研究的基础上，由于两轮自平衡小车的线性控制器对倾角的可控范围相当狭窄有限，无法实现工作中较大范围的可控。基于这种考虑，在寻求对自平衡小车这一非线性对象大范围稳定控制研究方面，我们提出了两种控制思路：第一，应用自适应神经模糊控制方法ANFIS来获取模糊控制规则。具体做法是建立三个工作点线性化模型，并对每个线性化模型分别设计线性控制器，利用ANFIS工具学习这些线性控制器的输入输出数据得到模糊规则，从而构成小车的模糊控制器。这里我们主要分两种方法来实现，一是将三个工作点采集的数据整体送给ANFIS学习产生一个新的控制器；另一种是将三个工作点采集的数据分别送给ANFIS学习产生三个控制器，同时对非线性模型进行控制。这两种方法得到的控制器对非线性模型的控制都取得了较大范围的角度可控，而且还较好的改善了系统的动态特性。最后通过对小车非线性模型的输入变量的简化得到了在实际运用中所涉及到的角度、角速度与控制u的二维模糊表；第二，通过最优控制思想进行极点配置得到最优控制状态反馈矩阵。通过引进一种新的最优极点配置方法，用产生的线性控制器对非线性模型进行控制，取得了大范围角度可控，接着运用最优极点配置思想设计了多点线性模糊控制器，该控制器对非线性模型的控制不仅扩大了系统初始角度的控制范围，而且在较大程度上改善了系统的动态特性。最后根据多点线性化思想，对非线性模型的输入变量简化得到了小车在大范围内的角度、角速度与控制u的模糊二维表。4.期刊论文秦勇.闫继宏.王晓宇.赵杰.QINYong.YANJi-hong.WANGXiao-yu.ZHAOJie两轮自平衡机器人运动控制研究-哈尔滨工业大学学报2008,40(5)轮式移动机器人是典型的不完整控制系统,其自身的不确定性影响控制的性能.以两轮自平衡机器人为研究对象,建立了机器人的运动学与动力学模型.利用多惯性传感器信息融合建立的基于T-S模糊模型的模糊控制器有效地解决了两轮自平衡机器人平衡控制的问题,并同时对轨迹跟踪的问题进行了探讨.仿真结果表明,通过多惯性传感器的信息融合建立的控制器对于机器人的平衡和跟踪问题是有效的,并在实际的实验中得到了验证.5.学位论文刘斌两轮自平衡小车软硬件研发与基于模糊线性化模型的变结构控制研究2009本文研究对象是本质不稳定的两轮自平衡机器人，它是一种特殊轮式移动机器人，经分析其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性。这个复杂的研究性实验装置，已成为控制理论和控制技术研究的理想实验平台。本文重点之一集中在对两轮自平衡小车的硬件和软件的研究与开发上。通过分析和借鉴国内外两轮自平衡小车的结构组成，设计了两轮自平衡小车的软硬件体系结构。安装在小车上的倾角传感器，实时监测车体的当前姿态，并将倾角信息经外围电路送给微控制器，经过软件实现的控制算法后，输出控制信号驱动电机，从而实现小车的自平衡行为。本文已经完成了小车系统的软件大体框架结构与编程，而且能与硬件相结合并使系统发生相应的控制动作，为下一步控制算法的实现打下了基础。本文的另一重点是对两轮自平衡小车的变结构控制研究。通过对滑模变结构控制原理、特性、抖振产生原因及削弱方法的分析，提出了在传统趋近律变结构控制的基础上采用基于自适应指数趋近律的滑模控制。对两轮自平衡小车的系统结构和非线性数学模型进行了分析，随后基于两轮自平衡小车的模糊线性化模型，分别采用这两种变结构控制器来控制小车。仿真结果表明改进的智能滑模控制器能明显削弱抖振，并对负载扰动和系统参数的变化具有较好的鲁棒性。本文链接：：上海海事大学(wflshyxy)，授权号：730c8296-8783-44e2-987b-9deb0113efa2下载时间：2010年9月8日