机器人骑自行车系统设计及控制研究
发布时间：2021-05-10 09:49
在各种移动式机器人产业日渐繁荣和成熟的同时,两轮前后纵向布置的自行车机器人具有可快速通过狭长空间、结构简单、能耗较低等优点,却在社会和学术界鲜有显著发展。本文针对自行车机器人这一具有典型的对称性欠驱动非完整约束系统难于实现的平衡控制问题,根据车体本身质量及其几何关系,通过对其动力学模型的推导和分析,利用力矩相等、受力平衡等原理,期望控制在不同横滚倾角下由电机带动惯性轮转动的加速度和速度维持自行车平衡。同时由多关节仿人型机器人“腿蹬”自行车驱动,使自行车机器人实现有效的自平衡直线、简单曲线及组合路径下的骑行。本论文的主要工作在于自行车机器人的动力学建模和平衡控制器设计,包括探究两种自行车机器人系统分别在车体横滚角同惯性轮电机输出值的关系和车把动态转向过程中车把转动角度与车体横滚角的关系。本文使用牛顿-欧拉法进行动力学建模,设计使用传统的双环PID控制器对“机器人骑自行车”系统的惯性轮电机进行反馈控制,使用多舵机协同控制指令控制仿人形机器人腿蹬自行车和车把舵机的转向,使用蓝牙模块、超声及预定控制时序实现远程通信、避障和沿预定轨迹行进,同时将针对于简化后的自行车机器人系统使用拉格朗日法建模及...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 自行车机器人系统的国内外发展
1.1.1 国外自行车机器人系统的研究发展
1.1.2 国内自行车机器人系统的研究发展
1.1.3 未来发展趋势
1.2 自行车机器人发展研究中的面临的问题
1.3 本文的主要研究内容
第2章 “机器人骑自行车”系统实验平台搭建
2.1 系统机械机构设计
2.1.1 机械结构设计
2.1.2 惯性轮结构设计
2.2 控制系统选型
2.2.1 控制器选型
2.2.2 传感器选型
2.2.3 电机、驱动电路及电池选型
2.2.4 仿人形机器人舵机选型
2.3 本章小结
第3章 自行车机器人系统动力学建模与控制
3.1 自行车机器人系统拉格朗日法分析
3.1.1 拉格朗日法
3.1.2 动力学方程
3.2 模糊自适应控制器设计
3.2.1 控制器原理及设计
3.2.2 仿真结果分析
3.3 本章小结
第4章 “机器人骑自行车”系统建模与控制
4.1 “机器人骑自行车”系统牛顿-欧拉法力学分析
4.1.1 牛顿-欧拉法
4.1.2 系统力学分析
4.2 PID双环平衡控制器设计
4.2.1 控制器原理及设计
4.2.2 仿真结果分析
4.3 本章小结
第5章 “机器人骑自行车”系统实验
5.1 实验平台软件设计
5.1.1 传感器检测算法
5.1.2 “机器人腿蹬自行车”驱动系统控制算法
5.1.3 扩展功能
5.2 系统控制流程
5.3 实验结果与分析
5.3.1 机器人静止状态下的实验结果与分析
5.3.2 机器人“骑行”状态下的实验结果与分析
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间所发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模糊PID的无人机姿态控制器的设计[J]. 陈鹏,段凤阳,张庆杰,郑志成,肖伟. 弹箭与制导学报. 2015(01)
[2]植保四轴飞行器的模糊PID控制[J]. 刘浩蓬,龙长江,万鹏,王晓谊,胡奔. 农业工程学报. 2015(01)
[3]电动独轮车的模糊自适应控制[J]. 申晓峰,章玮. 机电工程. 2014(12)
[4]一种无机械平衡调节器自行车机器人的惯性参数辨识[J]. 黄用华,黄渭,庄未,黄美发,钟永全. 东南大学学报(自然科学版). 2013(S1)
[5]无机械调节器的自行车机器人圆周运动实现[J]. 黄用华,廖启征,魏世民,郭磊. 机械工程学报. 2013(07)
[6]前轮驱动自行车机器人定车运动的鲁棒控制实现[J]. 黄用华,廖启征,魏世民,郭磊. 计算机测量与控制. 2012(06)
[7]前轮驱动自行车机器人直线运动的控制实现[J]. 黄用华,廖启征,魏世民,郭磊. 北京邮电大学学报. 2012(03)
[8]自行车机器人系统的稳定滑模控制[J]. 于秀丽,魏世民,郭磊. 控制与决策. 2011(03)
[9]基于MTI的自行车机器人系统设计[J]. 仲明伟,廖启征,魏世民. 机电产品开发与创新. 2009(06)
[10]一种新型自行车机器人机构设计及其建模[J]. 刘延斌,王秀全,张宏敏. 机械设计与研究. 2008(01)
博士论文
[1]自行车机器人非线性系统的控制及实现[D]. 于秀丽.北京邮电大学 2010
[2]自行车机器人非线性系统中若干问题的研究[D]. 郭磊.北京邮电大学 2007
硕士论文
[1]无人自行车建模与控制[D]. 王路斌.国防科学技术大学 2007
本文编号：3179154
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 自行车机器人系统的国内外发展
1.1.1 国外自行车机器人系统的研究发展
1.1.2 国内自行车机器人系统的研究发展
1.1.3 未来发展趋势
1.2 自行车机器人发展研究中的面临的问题
1.3 本文的主要研究内容
第2章 “机器人骑自行车”系统实验平台搭建
2.1 系统机械机构设计
2.1.1 机械结构设计
2.1.2 惯性轮结构设计
2.2 控制系统选型
2.2.1 控制器选型
2.2.2 传感器选型
2.2.3 电机、驱动电路及电池选型
2.2.4 仿人形机器人舵机选型
2.3 本章小结
第3章 自行车机器人系统动力学建模与控制
3.1 自行车机器人系统拉格朗日法分析
3.1.1 拉格朗日法
3.1.2 动力学方程
3.2 模糊自适应控制器设计
3.2.1 控制器原理及设计
3.2.2 仿真结果分析
3.3 本章小结
第4章 “机器人骑自行车”系统建模与控制
4.1 “机器人骑自行车”系统牛顿-欧拉法力学分析
4.1.1 牛顿-欧拉法
4.1.2 系统力学分析
4.2 PID双环平衡控制器设计
4.2.1 控制器原理及设计
4.2.2 仿真结果分析
4.3 本章小结
第5章 “机器人骑自行车”系统实验
5.1 实验平台软件设计
5.1.1 传感器检测算法
5.1.2 “机器人腿蹬自行车”驱动系统控制算法
5.1.3 扩展功能
5.2 系统控制流程
5.3 实验结果与分析
5.3.1 机器人静止状态下的实验结果与分析
5.3.2 机器人“骑行”状态下的实验结果与分析
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间所发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于模糊PID的无人机姿态控制器的设计[J]. 陈鹏,段凤阳,张庆杰,郑志成,肖伟. 弹箭与制导学报. 2015(01)
[2]植保四轴飞行器的模糊PID控制[J]. 刘浩蓬,龙长江,万鹏,王晓谊,胡奔. 农业工程学报. 2015(01)
[3]电动独轮车的模糊自适应控制[J]. 申晓峰,章玮. 机电工程. 2014(12)
[4]一种无机械平衡调节器自行车机器人的惯性参数辨识[J]. 黄用华,黄渭,庄未,黄美发,钟永全. 东南大学学报(自然科学版). 2013(S1)
[5]无机械调节器的自行车机器人圆周运动实现[J]. 黄用华,廖启征,魏世民,郭磊. 机械工程学报. 2013(07)
[6]前轮驱动自行车机器人定车运动的鲁棒控制实现[J]. 黄用华,廖启征,魏世民,郭磊. 计算机测量与控制. 2012(06)
[7]前轮驱动自行车机器人直线运动的控制实现[J]. 黄用华,廖启征,魏世民,郭磊. 北京邮电大学学报. 2012(03)
[8]自行车机器人系统的稳定滑模控制[J]. 于秀丽,魏世民,郭磊. 控制与决策. 2011(03)
[9]基于MTI的自行车机器人系统设计[J]. 仲明伟,廖启征,魏世民. 机电产品开发与创新. 2009(06)
[10]一种新型自行车机器人机构设计及其建模[J]. 刘延斌,王秀全,张宏敏. 机械设计与研究. 2008(01)
博士论文
[1]自行车机器人非线性系统的控制及实现[D]. 于秀丽.北京邮电大学 2010
[2]自行车机器人非线性系统中若干问题的研究[D]. 郭磊.北京邮电大学 2007
硕士论文
[1]无人自行车建模与控制[D]. 王路斌.国防科学技术大学 2007
本文编号：3179154
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