独轮自平衡机器人的设计与控制研究

发布时间：2017-10-03 01:30

  本文关键词：独轮自平衡机器人的设计与控制研究

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【摘要】：近年来,独轮自平衡机器人吸引了国内外越来越多研究学者的目光。独轮自平衡机器人是一个非线性、多耦合、非完整性约束的欠驱动系统,针对该系统的数学模型建立与控制器设计,向来是机器人学以及自动控制领域的难题。本文搭建了独轮自平衡机器人的物理实验平台,建立了相应的系统模型,并就机器人前后、左右方向上的姿态控制问题展开了研究,主要的研究内容如下:(1)实物平台搭建本文中,我们研究并设计了一台采用惯性飞轮结构的独轮自平衡机器人,主要工作包括以下三个部分:一是机器人的机械结构设计,应确保系统整体质量分布合理,以满足机器人自平衡控制的基本条件;二是机器人的硬件电路设计,具体是指主控制器、供电模块、电机驱动器、角度传感器、蓝牙串口通信以及PCB设计等;三是机器人的系统软件设计,指的是下位机端机器人主控程序设计以及用于调整控制参数的上位机软件设计。(2)系统模型建立本文首先分析了独轮自平衡机器人的动态平衡原理:在前后方向上,机器人通过行走轮的加减速运动来调节纵向平衡。在左右方向上,机器人则由惯性飞轮加速旋转形成反向力矩来补偿侧向倾斜。因此,独轮自平衡机器人可以抽象成左右方向上的飞轮倒立摆以及前后方向上的一级直线倒立摆。在此基础上,我们运用Lagrange方程分别建立机器人在纵向和侧向上的系统模型。(3)有限时间姿态控制器设计本文就独轮自平衡机器人前后（俯仰轴）、左右（横滚轴）方向上的姿态控制问题,提出了一种连续的有限时间控制策略。目前,对于独轮自平衡机器人的姿态控制,国内外的研究学者在控制器设计方面大多倾向于应用滑模控制理论。但是由于滑模控制器存在切换函数,是非连续的,在实际应用中,会不可避免出现“抖振”问题。因此,我们分别设计了机器人前后、左右方向上连续的有限时间控制器,并通过理论推导,证明了机器人系统能在有限时间内收敛。同时,仿真结果进行对比表明,连续的有限时间控制器相对于滑模控制器,能有效的避免“抖振”问题。
【关键词】：独轮自平衡机器人 系统建模 姿态控制 Lagrange方程 有限时间控制策略
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 引言11-12
• 1.2 独轮自平衡机器人的国内外研究现状12-18
• 1.2.1 各种类型的独轮自平衡机器人12-14
• 1.2.2 采用惯性飞轮结构的独轮自平衡机器人14-18
• 1.3 研究内容和结构安排18-20
• 第二章 预备知识20-24
• 2.1 引言20
• 2.2 系统建模方法20-21
• 2.2.1 牛顿力学法20
• 2.2.2 牛顿-欧拉公式20-21
• 2.2.3 拉格朗日方程法21
• 2.3 滑模控制理论21-22
• 2.4 有限时间控制理论22-23
• 2.4.1 有限时间控制定义22
• 2.4.2 相关引理22-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第三章 独轮自平衡机器人的软硬件设计24-39
• 3.1 引言24
• 3.2 机器人的机械结构设计24-26
• 3.3 机器人的硬件电路设计26-32
• 3.3.1 硬件总体设计方案26
• 3.3.2 单片机最小系统26-27
• 3.3.3 角度传感器27-28
• 3.3.4 电源模块28
• 3.3.5 蓝牙模块28-29
• 3.3.6 电机驱动模块29-31
• 3.3.7 PCB设计31-32
• 3.4 机器人系统软件设计32-36
• 3.4.1 软件总体设计方案32
• 3.4.2 下位机软件设计32-34
• 3.4.3 上位机软件设计34-35
• 3.4.4 通讯协议35-36
• 3.5 实验结果与分析36-38
• 3.6 本章小结38-39
• 第四章 系统建模39-49
• 4.1 引言39
• 4.2 机器人动态平衡原理39-40
• 4.3 动力学模型40-48
• 4.3.1 拉格朗日方程40-41
• 4.3.2 系统假设与变量说明41-42
• 4.3.3 参考坐标系42
• 4.3.4 机器人左右方向子系统的数学模型42-45
• 4.3.5 机器人前后方向子系统的数学模型45-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第五章 有限时间控制器设计49-59
• 5.1 引言49
• 5.2 滑模控制器设计49-50
• 5.3 有限时间控制器设计50-54
• 5.3.1 机器人左右方向子系统的有限时间控制策略50-54
• 5.3.2 机器人前后方向子系统的有限时间控制策略54
• 5.4 仿真实验54-58
• 5.4.1 参数说明54-55
• 5.4.2 机器人左右方向子系统的仿真实验55-57
• 5.4.3 机器人前后方向子系统仿真实验57-58
• 5.5 本章小结58-59
• 第六章 总结与展望59-61
• 6.1 本文总结59-60
• 6.2 研究展望60-61
• 致谢61-62
• 参考文献62-66
• 附录 在读期间发表的学术论文及参加的科研项目66

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