单球移动机器人控制策略及算法研究

发布时间：2020-09-02 16:47

　　本文针对单球移动机器人的驱动、平衡与轨迹跟踪控制问题,首先介绍了单球移动机器人的结构及其运动学与动力学模型,分析了该机器人的系统控制特点及其影响因素,从硬件选型和控制算法方面确定了提高控制系统性能的方案;其次研究了平衡、轨迹跟踪控制策略和控制算法及仿真分析;再将研究的平衡、轨迹跟踪控制算法集成一体,进行了单球移动机器人控制的综合实验。获得了如下主要研究成果:一、以本学术团队研制的单球移动机器人为研究对象,详细介绍了单球移动机器人的组成与结构,配置了以高性能DSP、内嵌控制芯片的惯性检测单元HI219等组成的系统控制硬件;建立了全向轮与驱动球之间的运动学模型;应用Eular-Lagrange方程,推导了机器人的动力学模型;应用Matlab分析了该机器人系统的可控性、可观性及稳定性,确定了系统的控制策略。二、在前述所建立的机器人运动学和动力学模型的基础上,根据机器人自平衡控制的特点,对相应的模型线性化处理,并应用基于遗传算法优化的LQR控制方法设计了基于遗传算法优化的LQR控制器;利用遗传算法的并行全局搜索能力求出最优权矩阵Q、R参数,解决了单球移动机器人LQR控制方法中权矩阵Q、R难确定的问题;仿真结果表明:遗传算法优化的LQR控制器能快速稳定地实现机器人的姿态平衡与位置控制,相比于传统的LQR控制,其实时性更好、鲁棒性更强。根据机器人轨迹跟踪控制的欠驱动、非线性特点,在保证系统渐近稳定的情况下,引入了高增益观测器来估计不可测变量以提高反馈变量的精度,构建了一种基于高增益观测器分离定理的欠驱动滑模控制方法,设计了相应的轨迹跟踪控制器。仿真结果显示:所设计的轨迹跟踪控制器,实现了姿态平衡与良好的轨迹跟踪,同时,从调节时间和稳态性能指标上证明了该控制器响应速度快,鲁棒性强,解决了系统抗干扰能力弱、状态不可测等问题。三、将基于遗传算法优化的LQR控制器和基于高增益观测器分离定理的欠驱动滑模轨迹跟踪控制器应用于单球移动机器人的控制系统中,在CCS平台上进行了相应的控制软件系统开发,进行了单球移动机器人的平衡控制实验;实验结果与平衡控制的仿真结果对比,结果表明:机器人的姿态角基本保持在?5控制范围内,稳态调节时间保持在3s以内;受到干扰的情况下,优化的LQR控制器可在?10范围内实现姿态角控制,而在超过?10时,基于高增益观测器分离定理的欠驱动滑模控制器依然能保证姿态平衡调整。由此可见,本文研究的单球移动机器人控制策略与控制算法是可行且具有更好的稳定性、鲁棒性、实时性。
【学位单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

移动机器人,工业

5”战略的实施，近年来我国的工业机发达国家比，我国的工业机器人和服机器人广泛应用于军事、物流、交通用于工业，也可应用于服务业；移动[3,4]。本文研究涉及的单球移动机器动机器人发展而来的一种全向平衡移人相比，单球移动机器人具有结构简点。然而，单球移动机器人是骑在一方位的倒立摆系统，是一个典型的非的欠驱动系统；其控制系统是综合了究单球移动机器人的控制理论与技术了国内外越来越多的学者重视和关注

机器人

Nagarajan 等人[12]继续推进了“Ballbot”的研究，在建模中，更而避免了两个广义坐标之间的耦合，考虑了摩擦损耗，使整个模型态平衡、位置保持、偏航运动、静态与动态的相互转化。文献[13]针束和欠驱动特点，提出了一种离线轨迹规划算法，为未驱动的关节足动态约束下的静态配置要求，并且通过实验验证系统具有抗干扰了带有手臂的“Ballbot”机器人，提出了一种利用动态约束方程来法，当轨迹被跟踪时，实现位移误差小，得到最优位移跟踪。“Ballbot”，其他国家也相继研发了其他相似的单球移动机器人umagai 等人开始研究单球移动机器人，先后发明了“BallIP1”、“-W”[15]，如图 1.3-1.5 所示。在驱动结构上，这三个机器人与“Ba两者提出了一种由三个全向轮驱动球体运动的新型驱动结构，后者滚轮的装置。与“Ballbot”相比，这三类机器人都解决了“Ballb问题。在控制上，提出了双 PD 稳定控制方法，具有一定的携带负

机器人

【参考文献】