獨輪自平衡機器人的設(shè)計與控制研究.pdf

1、近年來，獨輪自平衡機器人吸引了國內(nèi)外越來越多研究學(xué)者的目光。獨輪自平衡機器人是一個非線性、多耦合、非完整性約束的欠驅(qū)動系統(tǒng)，針對該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立與控制器設(shè)計，向來是機器人學(xué)以及自動控制領(lǐng)域的難題。本文搭建了獨輪自平衡機器人的物理實驗平臺，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)模型，并就機器人前后、左右方向上的姿態(tài)控制問題展開了研究，主要的研究內(nèi)容如下：
　?。?）實物平臺搭建
　　本文中，我們研究并設(shè)計了一臺采用慣性飛輪結(jié)構(gòu)的獨輪自平衡機器人

2、，主要工作包括以下三個部分：一是機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)確保系統(tǒng)整體質(zhì)量分布合理，以滿足機器人自平衡控制的基本條件；二是機器人的硬件電路設(shè)計，具體是指主控制器、供電模塊、電機驅(qū)動器、角度傳感器、藍牙串口通信以及PCB設(shè)計等；三是機器人的系統(tǒng)軟件設(shè)計，指的是下位機端機器人主控程序設(shè)計以及用于調(diào)整控制參數(shù)的上位機軟件設(shè)計。
　?。?）系統(tǒng)模型建立
　　本文首先分析了獨輪自平衡機器人的動態(tài)平衡原理：在前后方向上，機器人通過行走輪的

3、加減速運動來調(diào)節(jié)縱向平衡。在左右方向上，機器人則由慣性飛輪加速旋轉(zhuǎn)形成反向力矩來補償側(cè)向傾斜。因此，獨輪自平衡機器人可以抽象成左右方向上的飛輪倒立擺以及前后方向上的一級直線倒立擺。在此基礎(chǔ)上，我們運用Lagrange方程分別建立機器人在縱向和側(cè)向上的系統(tǒng)模型。
　　（3）有限時間姿態(tài)控制器設(shè)計
　　本文就獨輪自平衡機器人前后（俯仰軸）、左右（橫滾軸）方向上的姿態(tài)控制問題，提出了一種連續(xù)的有限時間控制策略。目前，對于獨輪自平衡