非同轴两轮自平衡移动机器人的平稳性研究

发布时间：2021-05-24 18:09

　　本文研究的非同轴两轮自平衡移动机器人是依靠一对陀螺转子同步进动产生的陀螺力矩来实现静止或动态平衡,其在运输货物或执行侦察的任务过程中,很容易受到外力的撞击倾倒而无法继续执行任务,因此,提高其运行平稳性具有重要的意义。机器人平稳性以其横滚角为评价指标,它与双陀螺平衡装置控制系统和转向控制系统等因素相关。机器人起摆或受到撞击时,通过陀螺进动产生陀螺力矩直接控制其横滚角,而进动角过大会使控制系统崩溃;机器人转向运动会产生离心力,使机器人向外翻转而可能倾倒。因此,本课题针对此款机器人运行平稳性较差的问题,以双陀螺平衡原理和转向运动力学分析为基础,从数学建模、控制算法设计与优化、控制系统设计等方面对机器人的平稳性展开研究。首先,在理论上从双陀螺控制和转向控制的角度对机器人平稳性的影响进行分析,得到机器人陀螺进动角、转向角、运行速度与横滚角之间的关系。其次,采用Euler-Lagrange方程和角动量守恒建立以机器人转向角、横滚角、运行速度、进动角的四自由度动力学模型。在此基础上设计基于进动回零补偿和离心力补偿的滑模控制算法,从机器人起摆自平衡、抗干扰、转向运动等三个方面对其平稳性在Matlab中... 

【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：100 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究背景和意义
    1.2 研究进展与现状分析
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 本课题重点研究内容
第2章 机器人双陀螺和转向控制对其平稳性的影响
    2.1 机器人系统的总体结构
    2.2 机器人双陀螺控制对其平稳性的影响
        2.2.1 双陀螺平衡装置的陀螺力矩分析
        2.2.2 陀螺力矩与机器人横滚角的关系
    2.3 机器人转向控制系统对其平稳性的影响
    2.4 本章小结
第3章 机器人动力学模型的建立与特性分析
    3.1 动力学模型建立的主要方法
    3.2 动力学模型的建立
        3.2.1 建模流程
        3.2.2 模型建立
    3.3 动力学模型特性分析
        3.3.1 系统模型线性化
        3.3.2 模型的特性分析
    3.4 本章小结
第4章 机器人控制算法的设计与其平稳性仿真分析
    4.1 机器人控制的主要方法
    4.2 基于进动回零和离心力补偿的机器人控制算法设计
        4.2.1 滑模控制算法原理概述
        4.2.2 机器人的滑模控制律设计
        4.2.3 基于进动回零和离心力补偿的控制算法设计
    4.3 机器人控制算法的平稳性仿真分析
        4.3.1 起摆自平衡仿真分析
        4.3.2 抗干扰仿真分析
        4.3.3 转向运动平稳性仿真分析
    4.4 基于模糊滑模控制的机器人平衡控制算法优化
    4.5 本章小结
第5章 机器人控制系统设计
    5.1 控制系统方案设计
        5.1.1 功能需求分析
        5.1.2 总体方案设计
    5.2 控制系统硬件设计
        5.2.1 控制系统硬件电路整体设计
        5.2.2 STM32的最小系统设计
        5.2.3 控制系统电源电路设计
        5.2.4 电气隔离电路设计
        5.2.5 电机与驱动器的选型及其接口电路设计
        5.2.6 数据采集系统的接口电路设计
        5.2.7 无线通讯模块接口电路的设计
    5.3 控制系统软件设计
        5.3.1 总体程序框图
        5.3.2 陀螺进动角的信号处理与控制程序
        5.3.3 MPU9250的信号采集与处理程序
        5.3.4 wifi信号的获取与处理程序
        5.3.5 机器人双陀螺和运动控制程序设计
    5.4 本章小结
第6章 机器人的平稳性能试验
    6.1 机器人实验平台的搭建
    6.2 机器人定车时的平稳性能实验
        6.2.1 起摆自平衡实验
        6.2.2 抗干扰实验
    6.3 机器人转向运动平稳性实验
    6.4 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.2 后续工作的展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于切换模糊化的车辆速度滑模控制方法[J]. 高嵩,吕军锋,陈超波,曹凯.  计算机与数字工程. 2017(03)
[2]基于模糊PD控制方法的两轮直立自平衡电动车研究[J]. 杨正才,吕科.  控制工程. 2016(03)
[3]基于自适应模糊滑模的大型液压起竖系统控制策略研究[J]. 李良,李锋,冯永保,姚晓光.  兵工学报. 2016(01)
[4]基于双飞轮陀螺效应的两轮自平衡机器人的研制[J]. 李勇,耿建平,林群煦,张弓,王卫军.  机电产品开发与创新. 2015(06)
[5]自行车转弯问题的研究[J]. 张婷玉,陈清梅,邢红军.  首都师范大学学报(自然科学版). 2015(04)
[6]基于陀螺仪的无人自行车平衡控制方法[J]. 吕宽州,陈素霞,黄全振.  计算机测量与控制. 2015(07)
[7]基于MIMO系统的机械手自适应模糊滑模控制[J]. 倪骁骅,刘青.  中国农机化学报. 2015(02)
[8]两轮自平衡电动车核心控制算法的选择[J]. 周小仨.  办公自动化. 2013(08)
[9]独轮车机器人的动力学建模与非线性控制[J]. 郭磊,廖启征,魏世民,崔建伟.  系统仿真学报. 2009(09)
[10]基于凯恩方法的机器人动力学建模与仿真[J]. 石炜,郗安民,张玉宝.  微计算机信息. 2008(29)

博士论文
[1]多自由度两轮自平衡机器人技术研究[D]. 戴福全.北京理工大学 2015

硕士论文
[1]基于滑模变结构控制的叉车线控转向系统研究[D]. 刘洋.合肥工业大学 2017
[2]基于陀螺进动效应的独轮机器人的研制[D]. 于法传.哈尔滨工业大学 2015
[3]基于滑模变结构控制的二轮自平衡车系统设计及应用[D]. 李立华.武汉科技大学 2015
[4]自行车机器人运动模式切换控制研究[D]. 刘东强.北京邮电大学 2015
[5]独轮机器人全方位姿态控制研究及实验验证[D]. 王攀.哈尔滨工业大学 2013
[6]基于模糊PD的两轮自平衡车的设计[D]. 行阳阳.太原理工大学 2013
[7]非线性系统的智能滑模变结构控制的研究[D]. 宋占魁.辽宁工程技术大学 2011
[8]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：3204628