一種獨輪機器人的建模與運動平衡控制的研究.pdf

1、運動平衡控制問題是機器人系統(tǒng)中普遍存在的問題，其中，最典型的是兩輪機器人、雙足機器人、獨腿機器人、獨輪機器人。這些機器人又可稱作：“自平衡機器人”，意即需要運動平衡控制的機器人。機器人運動平衡控制問題，既是機器人學研究的重要問題，又是控制科學研究的重要問題。獨輪機器人系統(tǒng)，需要同時控制系統(tǒng)的前向平衡、側向平衡以及速度和航向等，具有重要的研究價值。
　　 本文針對獨輪機器人系統(tǒng)的建模和運動平衡控制問題進行研究，取得以下主要研究成果

2、：
　　 第一：基于勞斯方程的獨輪機器人系統(tǒng)建模
　　 本文根據勞斯方程建立獨輪機器人系統(tǒng)的動力學模型。將機器人系統(tǒng)抽象為由車輪、機器人體及慣性輪三個剛體組成的系統(tǒng)，對其進行假設和簡化，利用勞斯方程建立了獨輪機器人系統(tǒng)的動力學模型，并通過仿真實驗驗證系統(tǒng)模型的正確性，進而分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和能控性。
　　 第二：獨輪機器人系統(tǒng)的線性二次型最優(yōu)控制
　　 將獨輪機器人系統(tǒng)在平衡點附近線性化，設計線性二次型最優(yōu)

3、調節(jié)控制器，實現機器人的平衡控制；并通過坐標變換方法，將系統(tǒng)的最優(yōu)跟蹤問題轉化成最優(yōu)調節(jié)問題，實現系統(tǒng)的運動控制。仿真實驗表明，當機器人傾角在一定范圍內時，控制器可以實現機器人的運動平衡控制。超過該范圍，控制器失效。
　　 第三：獨輪機器人系統(tǒng)的基于融合函數的模糊控制
　　 將獨輪機器人系統(tǒng)在平衡點附近線性化，進而將系統(tǒng)在平衡點附近解耦為側向和前向兩個正交方向的子系統(tǒng)。然后針對各個子系統(tǒng)，分別設計基于融合函數的模糊控制器

4、，降低了模糊規(guī)則數。通過仿真實驗可知，本文所設計的模糊控制器，減小了系統(tǒng)超調和調節(jié)時間，增強了系統(tǒng)的抗干擾性。
　　 第四：獨輪機器人系統(tǒng)的分組分層滑模變結構控制
　　 根據獨輪機器人系統(tǒng)非線性模型的特點，設計一種分組分層滑模變結構控制器，并通過理論分析，證明所設計控制器各個滑模面的漸近穩(wěn)定性。仿真實驗表明，所設計的滑?？刂破髂軌蛴行崿F系統(tǒng)的運動平衡控制，擴大了系統(tǒng)的可控范圍，降低了系統(tǒng)姿態(tài)角的超調，減小了系統(tǒng)所需的控

5、制量，具有較強的魯棒性，對外界干擾具有一定的自適應性。
　　 第五：基于虛擬現實環(huán)境的獨輪機器人運動平衡控制仿真實驗
　　 本文采用Open Dynamics Engine（ODE）作為獨輪機器人虛擬現實實驗的動力學計算引擎，在虛擬現實環(huán)境中建立獨輪機器人的可視化動力學模型，將該模型的開環(huán)響應與本文建立的系統(tǒng)數學模型開環(huán)響應對比，進一步驗證數學模型的正確性。并以虛擬現實環(huán)境中的獨輪機器人為控制對象，實現獨輪機器人的平衡控