兩輪自平衡機(jī)器人模糊PD控制方法研究.pdf

1、兩輪自平衡機(jī)器人是一個(gè)多變量、非線性、高階次、強(qiáng)耦合、本質(zhì)不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，是檢驗(yàn)各種控制理論和控制方法的典型裝置，因而，對(duì)其研究有很大的理論和實(shí)踐意義。由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、能量利用率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是在軍事領(lǐng)域還是在民用領(lǐng)域都具有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文以深圳固高公司生產(chǎn)的GBOT1001型兩輪自平衡機(jī)器人為研究對(duì)象，主要研究了其穩(wěn)定控制問(wèn)題。
　　 首先，對(duì)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)做了簡(jiǎn)單介紹，包括DSP芯

2、片處理器、傾角傳感器、陀螺儀、光電編碼器以及驅(qū)動(dòng)單元等主要元部件，并分析了其自平衡控制原理。其次，采用牛頓力學(xué)的分析方法對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并采用基于泰勒級(jí)數(shù)的近似線性化方法對(duì)其線性化。對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能控能觀性進(jìn)行分析。再次，采用LQR控制方法設(shè)計(jì)控制器，對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)大量的仿真實(shí)驗(yàn)，確定了最優(yōu)Q、R矩陣，從而得到最優(yōu)反饋矩陣，并搭建Simulink仿真模型，進(jìn)行仿真分析。然后，設(shè)計(jì)模糊PD控制器，以機(jī)器

3、人的位移和速度為輸入變量由模糊控制器控制，傾斜角度和角速度由PD控制。針對(duì)模糊控制器，提出了一種量化因子和比例因子的估算方法，并根據(jù)PID控制參數(shù)整定原則，對(duì)相關(guān)參數(shù)在線整定。搭建Simulink仿真模型，將模糊PD控制與LQR控制進(jìn)行仿真比較。最后，設(shè)計(jì)了機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)平臺(tái)，用于兩輪自平衡機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制，經(jīng)過(guò)大量的參數(shù)調(diào)試，機(jī)器人系統(tǒng)得到了良好的控制，可穩(wěn)定行走，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模糊PD控制比LQR