Ao彩色扫描仪上层驱动及辅助调试系统的设计与实现.pdf

西安电子科技大学
硕士学位论文
两轮自平衡小车的设计与变结构控制研究
姓名:刘学超
申请学位级别:硕士
专业:控制理论与控制工程
指导教师:屈胜利;朱欣志
20080101
摘要近年来,对非完整移动机器人的理论和应用研究日益受到国内外控制界的重范畴,因而它具有广泛的应用背景。本文研究对象是本质不稳定的两轮自平衡机器人,经分析其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性。且因其运动环境复杂、运动学方程中的非完整约束,所以其控制任务也研究的本质不稳定两轮自平衡机器人是一种复杂的研究性实验装置,已成为理想的控制理论和控制技术研究的实验平台。本文重点集中在本质不稳定小车的动力学控制及硬软件研发上。通过分析和借鉴衡小车的结构组成,设计了两轮自平衡小车的软硬件,并对硬件参数进行了详细的分析计算,推导出两轮小车的最大可控角度。分析引入了控制理论进行本质不稳定小车的控制研究,在小车偏角受限的条件约束下,设计出基于趋近律的滑膜变结构控制器和传统极点配置控制器。对系统进行了仿真研关键词:复杂系统两轮自平衡小车轮式移动机器人本质不稳定变结构控制视,广义地说任何带有轮式移动驱动机构的机械装置如卡车等都属于这类机器人具有复杂性,需要在完成平衡控制的同时实现路径规划、路径跟踪等任务。本文系统的数学模型,基于此模型进行了系统稳定性与能控能观性分析。应用变结构究,结果表明在系统外扰和参数摄动存在情况下,系统性能指标满足设计要求。
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牲导师签名:÷蟊蝉本人签名:亟:笏日期迦星:呵日期婴呈:禾西安电子科技大学学位论文独创性虼葱滦声明关于论文使用授权的说明本学位论文属于保密,在—杲饷芎笫视帽臼谌ㄊ椤导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切的法律责任。本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定,即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件,允许查阅和借阅论文;学校可以公布论文的全部或部分内结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。C艿穆畚脑诮饷芎笞袷卮斯娑秉承学校严谨的学风和优良的科学道德,本人声明所呈交的论文是我个人在果;也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的明并表示了谢意。本人签名:容,可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证,毕业后
第一章绪论课题背景当今机器人的应用已经越来越广泛,几乎渗透到各个领域。机器人技术在八计算机技术、传感器技术和人工智能等相关学科融为一体,不断吸收其他学科诸如材料,能源科学的最新成果,形成了一门独立的高科技学科【轮式移动机器人是现代机器人中的一个重要分支,它的研究始于上个世纪六十年代末期。美国斯坦福研究院的年至年中研制了取名为的自主移动机器人,目的是研究应用人工智能技术,在复杂环境下机器人系统的自主推理,规划和控制。两轮自平衡小车,也称为本质不稳定自主移动机器人,属于轮式机器人中的一种。自平衡小车系统是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合复杂非线性系统,其复杂性主要体现在以下三个方面:丛佣韵螅菏迪侄愿丛拥谋局什晃榷ǘ韵蟮目刂疲丛踊肪常河τ糜诟丛拥奈粗;肪常丛尤挝瘢涸谑迪中〕灯胶饪刂频耐蓖瓿陕肪豆婊⒆灾鞅苷稀⒙肪陡踪等任务。两轮自平衡小车系统具有不稳定、多耦合、时变、参数不确定性等特性,可以运用多种方法进行控制,对各种控制方法提出了挑战。其想法来源于倒立摆模型,如下图所示。摆只能在平面内运动,如果摆倒向左边,那么摆的底部就必须也向左面移动,以保持摆的竖直平衡,倒向右边情况与左边类似。两轮自平衡小车的情况与倒立摆相似,也需要类似的运动来保持车架的竖直平衡,这种运动是通过控制小车底部驱动电机的转速来实现的。小车在运动中保持有两种状态,即平衡状态与非平衡状态,如图所示。十年代后期已经形成比较系统的科学体系,它将机构学、电子技术、控制理论、虲热嗽图倒立摆示意图
两轮自平衡小车的研究意义变结构控制理论出现于二十世纪五十年代,至今经历了五十余年的发展,己成为一种学科体系,成为设计自动控制系统的综合方法。适用于线性与非线性系统、连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、集中控制与分散控制等多种系统。在当今实际工程中如电机与电力系统、机器人控制、飞机控制、卫星姿态控制等中正在逐渐得到推广应用。变结构控制是通过切换函数实现的,当系统的状态向量所决定的