两轮自平衡机器人系统设计与实现

发布时间：2017-07-17 08:22

  本文关键词：两轮自平衡机器人系统设计与实现

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【摘要】：两轮自平衡机器人作为单级倒立摆的延伸,具有高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合等特性,这使得其成为各种运动控制算法的理想验证平台。同时,两轮自平衡机器人具有机械结构灵活,运动控制多变等特点,使得其在工作环境变化大、任务复杂的场合具有广泛的应用,如在军事领域可进行空间探索、战地侦查和排雷,在日常生活中可作为短途交通工具。开展两轮自平衡机器人的研究与设计,对于发展我国在实验机器人学及其相关学科的科学研究具有重要价值。本文所采用的两轮自平衡机器人采用两个直流电机作为动力来源,建立了直流电机的线性化模型。使用牛顿力学方法分析两轮自平衡机器人运动规律,建立了运动学模型。通过分析两轮自平衡机器人在运动过程中的能量关系,采用欧拉-拉格朗日方程法建立机器人的动力学模型。综合运动学模型和动力学模型,得到了两轮自平衡机器人的状态空间表达式,为研究两轮自平衡机器人的运动控制方法提供了理论基础。两轮自平衡机器人姿态检测准确性将直接影响后续控制系统的稳定性。为了提高机器人的控制精度,分析当前惯性传感器的误差特点,建立了加速度计和陀螺仪的数据融合模型,并使用互补滤波器和卡尔曼滤波器分别对机器人的姿态信息进行融合。实验结果表明,互补滤波器结构简单、运算量小,但有零点漂移。卡尔曼滤波器对陀螺仪的零点漂移具有较强的抑制作用。针对两轮自平衡机器人状态方程的不稳定性,设计了传统的PID控制器和LQR控制器。使用Matlab/Simulink对两种控制器进行对比分析,结果表明,PID控制器大范围动态效果显著,但在平衡位置容易震动;而LQR控制器动态效果不明显,但在平衡位置控制效果显著。最后,建立了两轮自平衡机器人的实验平台。实现了两轮自平衡机器人静止实验、稳定性实验和动态跟随实验。验证了新提出的算法的有效性。
【关键词】：两轮自平衡机器人 动力学建模 数据融合 运动控制器
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究背景与意义13-17
• 1.1.1 轮式机器人概述13-16
• 1.1.2 两轮自平衡移动机器人16-17
• 1.2 国内外研究现状17-20
• 1.2.1 单级直线倒立摆17-18
• 1.2.2 两轮自平衡移动机器人18-20
• 1.3 两轮自平衡移动机器人研究的关键问题20-21
• 1.3.1 两轮自平衡移动机器人的系统设计20-21
• 1.3.2 两轮自平衡移动机器人的数学建模21
• 1.3.3 两轮自平衡移动机器人的姿态获取21
• 1.3.4 两轮自平衡移动机器人的运动控制21
• 1.4 本文所研究的内容21-22
• 1.5 论文结构22-23
• 第2章 系统建模分析23-31
• 2.1 坐标系建立23-24
• 2.2 运动学模型24
• 2.3 动力学模型24-27
• 2.3.1 直流电机的线性建模25-26
• 2.3.2 两轮自平衡机器人动力学建模26-27
• 2.4 系统状态方程27-29
• 2.5 系统能控性和能观测性29-30
• 2.5.1 系统状态能控性29-30
• 2.6 小结30-31
• 第3章 姿态信息采集与融合31-38
• 3.1 引言31-32
• 3.2 姿态信息融合32-37
• 3.2.1 基于互补滤波器的姿态信息融合32-34
• 3.2.2 基于Kalman滤波器的姿态信息融合34-37
• 3.3 小结37-38
• 第4章 运动控制算法设计38-48
• 4.1 两轮自平衡机器人的PID控制算法38-42
• 4.1.1 PID控制器原理38-39
• 4.1.2 两轮自平衡机器人PID控制器设计39-40
• 4.1.3 仿真分析40-42
• 4.2 两轮自平衡机器人的LQR控制算法42-46
• 4.2.1 LQR控制器原理42-43
• 4.2.2 两轮自平衡机器人LQR控制器设计43-44
• 4.2.3 仿真分析44-46
• 4.3 两种算法对比分析46-47
• 4.4 小结47-48
• 第5章 系统平台设计与测试48-56
• 5.1 系统平台硬件设计48-53
• 5.1.1 总体设计48
• 5.1.2 主控制器模块48-49
• 5.1.3 电机驱动模块49-50
• 5.1.4 编码器测速模块50-51
• 5.1.5 MEMS传感器姿态获取模块51-52
• 5.1.6 系统平台52-53
• 5.2 实际平台算法测试53-54
• 5.2.1 静止测试实验53
• 5.2.2 抗冲击扰动实验53-54
• 5.3 小结54-56
• 结论56-58
• 参考文献58-62
• 附录A 部分硬件设计电路图62-65
• 附录B 部分程序代码65-68
• 致谢68

【参考文献】

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本文编号：552705