基于模糊滑模控制的两轮自平衡小车系统设计
发布时间：2021-09-23 06:10
在轮式机器人的领域内,两轮自平衡小车是其中一个非常重要的分支,小型化、简单化是它最主要的优点,一般工作在狭小和危险的空间内。同时又是非线性、欠驱动、强耦合系统,适合作为各种控制算法研究和验证的科学实验平台。本论文主要对两轮自平衡小车的控制方法进行研究,同时还在滤波器设计、软件实现方面进行了详细的阐述,并进行实验验证。首先,采用牛顿力学方法对小车车轮、车身等进行受力分析,建立小车系统的动力学模型和数学模型,对系统在平衡点附近作线性化处理,解耦为两个子系统,对系统的能控性、能观性及稳定性进行了分析。其次,在数学模型的基础上,设计了一种基于指数趋近律下的滑模变结构控制器,仿真结果表明系统中会出现抖振现象。结合模糊控制的特点,设计出自适应模糊滑模控制器,利用模糊算法对滑模控制的切换增益项进行自适应调整。仿真结果表明改进后的控制器能很好的减小抖振。第三,对加速度计和陀螺仪测出的数据进行处理,然后将卡尔曼滤波算法和互补滤波算法对比分析,选择卡尔曼滤波算法对数据进行处理,可得更准确的倾角等数据。最后,基于AVR Studio和GCCAVR联合集成开发环境,设计出小车各功能模块,搭建小车系统的实物平台...
【文章来源】：安徽工业大学安徽省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
nBot机器人
平衡小车的概念自从被提出之后，被世界各国科学家所重视。内外研究现状国外发展状况于国外的发展速度相对比较快，取得了一些不错的成果，下面就是几衡小车的例子：1）图 1.1 所示的两轮自平衡机器人 nBot[6]是由美国研究人员 rson 设计的两轮移动机器人。处理器 TI 是 David P.Anderson 专门为设计的。它可以实现原地回转，可以自主的避开障碍物，可以说 n平衡机器人中比较有代表性的研究成果。2）来自瑞士联邦技术学院的研究人员设计出来一款名叫 JOE[7]的两器人，这种机器人使用的是 DSP 技术，上面所搭的支架是研究人员驶人员的，它的外观图如图 1.2 所示。
图 1.3 Segway 机器人 图 1.4 Bender 机器人 国内发展现状我国在两轮自平衡机器人领域内研究也取得了不错的成果：（1）固高科技 GBOTl001 机器人如图 1.5 所示是由深圳固高科技有限公司研制的教学用自平衡小车伺服电机驱动，24V 镍氢电池供电。运动控制方面，采用嵌入式运动制器基于 DSP 和 FPGA 技术。（2）Sway 机器人2005 年来自哈尔滨工程大学的尹亮制作的两轮直立自平衡机器人6所示。机器人控制的核心模块和人机交互下位机分别是两块C805WM 控制两台直流电机的转速，使用加速度计和红外测距仪测量小采用超小型低功耗高速无线收发数据 Modem 实现上位机与下位机。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型滑模控制双幂次趋近律[J]. 张合新,范金锁,孟飞,黄金峰. 控制与决策. 2013(02)
[2]微小型无人机全姿态增稳控制系统的设计与实现[J]. 迟晓鹏,罗卫兵,霍丽霞. 现代电子技术. 2010(08)
[3]基于Backstepping的移动机器人轨迹跟踪控制[J]. 王川,吴怀宇,王芬,程磊. 现代电子技术. 2008(24)
[4]基于扩展卡尔曼滤波的两轮机器人姿态估计[J]. 王晓宇,闫继宏,秦勇,赵杰. 哈尔滨工业大学学报. 2007(12)
[5]一种自平衡机器人的制作和研究[J]. 李慧琴,韩建海,赵书尚,刘少东. 机床与液压. 2006(12)
[6]自平衡两轮机器人的控制系统设计[J]. 傅继奋,孙汉旭,王亮清,肖爱平,赵勇,余忠华. 机电产品开发与创新. 2004(06)
[7]多传感器信息融合技术及其在机器人中的应用[J]. 孙华,陈俊风,吴林. 传感器技术. 2003(09)
[8]移动机器人技术研究现状与未来[J]. 李磊,叶涛,谭民,陈细军. 机器人. 2002(05)
博士论文
[1]基于控制变量参数化的带约束最优控制问题计算方法[D]. 胡云卿.浙江大学 2013
[2]超精密气浮定位工作台的动力学研究[D]. 何学明.华中科技大学 2007
硕士论文
[1]两轮自平衡小车的模糊滑模控制研究[D]. 方红.安徽工业大学 2018
[2]基于自适应模糊控制的智能用电管理系统[D]. 夏广通.华南理工大学 2016
[3]两轮自平衡机器人的自适应模糊滑模控制算法研究[D]. 王笑寒.哈尔滨理工大学 2016
[4]自平衡控制系统的模糊滑模控制研究[D]. 段举.合肥工业大学 2015
[5]两轮自平衡机器人LQR-模糊控制算法研究[D]. 李志超.哈尔滨理工大学 2014
[6]滑模变结构控制在两轮自平衡机器人系统中的应用研究[D]. 梁玉鑫.哈尔滨理工大学 2012
[7]煤矿救援机器人轨迹跟踪研究[D]. 张译.西安科技大学 2011
[8]两轮自平衡小车系统[D]. 李凡红.北京交通大学 2010
[9]视网膜假体微电极阵列的研究与测试系统[D]. 曹征.上海交通大学 2010
[10]基于滑模变结构的机器人关节控制系统研究[D]. 张庆丰.浙江工业大学 2010
本文编号：3405186
【文章来源】：安徽工业大学安徽省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
nBot机器人
平衡小车的概念自从被提出之后，被世界各国科学家所重视。内外研究现状国外发展状况于国外的发展速度相对比较快，取得了一些不错的成果，下面就是几衡小车的例子：1）图 1.1 所示的两轮自平衡机器人 nBot[6]是由美国研究人员 rson 设计的两轮移动机器人。处理器 TI 是 David P.Anderson 专门为设计的。它可以实现原地回转，可以自主的避开障碍物，可以说 n平衡机器人中比较有代表性的研究成果。2）来自瑞士联邦技术学院的研究人员设计出来一款名叫 JOE[7]的两器人，这种机器人使用的是 DSP 技术，上面所搭的支架是研究人员驶人员的，它的外观图如图 1.2 所示。
图 1.3 Segway 机器人 图 1.4 Bender 机器人 国内发展现状我国在两轮自平衡机器人领域内研究也取得了不错的成果：（1）固高科技 GBOTl001 机器人如图 1.5 所示是由深圳固高科技有限公司研制的教学用自平衡小车伺服电机驱动，24V 镍氢电池供电。运动控制方面，采用嵌入式运动制器基于 DSP 和 FPGA 技术。（2）Sway 机器人2005 年来自哈尔滨工程大学的尹亮制作的两轮直立自平衡机器人6所示。机器人控制的核心模块和人机交互下位机分别是两块C805WM 控制两台直流电机的转速，使用加速度计和红外测距仪测量小采用超小型低功耗高速无线收发数据 Modem 实现上位机与下位机。
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种新型滑模控制双幂次趋近律[J]. 张合新,范金锁,孟飞,黄金峰. 控制与决策. 2013(02)
[2]微小型无人机全姿态增稳控制系统的设计与实现[J]. 迟晓鹏,罗卫兵,霍丽霞. 现代电子技术. 2010(08)
[3]基于Backstepping的移动机器人轨迹跟踪控制[J]. 王川,吴怀宇,王芬,程磊. 现代电子技术. 2008(24)
[4]基于扩展卡尔曼滤波的两轮机器人姿态估计[J]. 王晓宇,闫继宏,秦勇,赵杰. 哈尔滨工业大学学报. 2007(12)
[5]一种自平衡机器人的制作和研究[J]. 李慧琴,韩建海,赵书尚,刘少东. 机床与液压. 2006(12)
[6]自平衡两轮机器人的控制系统设计[J]. 傅继奋,孙汉旭,王亮清,肖爱平,赵勇,余忠华. 机电产品开发与创新. 2004(06)
[7]多传感器信息融合技术及其在机器人中的应用[J]. 孙华,陈俊风,吴林. 传感器技术. 2003(09)
[8]移动机器人技术研究现状与未来[J]. 李磊,叶涛,谭民,陈细军. 机器人. 2002(05)
博士论文
[1]基于控制变量参数化的带约束最优控制问题计算方法[D]. 胡云卿.浙江大学 2013
[2]超精密气浮定位工作台的动力学研究[D]. 何学明.华中科技大学 2007
硕士论文
[1]两轮自平衡小车的模糊滑模控制研究[D]. 方红.安徽工业大学 2018
[2]基于自适应模糊控制的智能用电管理系统[D]. 夏广通.华南理工大学 2016
[3]两轮自平衡机器人的自适应模糊滑模控制算法研究[D]. 王笑寒.哈尔滨理工大学 2016
[4]自平衡控制系统的模糊滑模控制研究[D]. 段举.合肥工业大学 2015
[5]两轮自平衡机器人LQR-模糊控制算法研究[D]. 李志超.哈尔滨理工大学 2014
[6]滑模变结构控制在两轮自平衡机器人系统中的应用研究[D]. 梁玉鑫.哈尔滨理工大学 2012
[7]煤矿救援机器人轨迹跟踪研究[D]. 张译.西安科技大学 2011
[8]两轮自平衡小车系统[D]. 李凡红.北京交通大学 2010
[9]视网膜假体微电极阵列的研究与测试系统[D]. 曹征.上海交通大学 2010
[10]基于滑模变结构的机器人关节控制系统研究[D]. 张庆丰.浙江工业大学 2010
本文编号：3405186
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