两轮自平衡机器人系统设计及控制应用研究.pdf

北京工业大学硕士学位论文两轮自平衡机器人系统设计及控制研究姓名:刘江申请学位级别:硕士专业:模式识别与智能系统指导教师:阮晓钢 20070501 摘要摘要两轮自平衡机器人是轮式移动机器人中重要的一类仿生系统,其运动平衡控制问题是机器人学和机器人技术研究中的重要问题之一。本文针对两轮自平衡机器人运动平衡控制中的平衡控制以及速度控制等问题进行了分析和研究, 取得了如下主要研究结果: 第一,两轮自平衡机器人姿态检测系统的设计与研究。本文针对两轮自平衡机器人设计了姿态检测系统,该系统主要由倾角传感器、陀螺仪、光电编码器等传感器,以及检测软件和监测软件构成。检测软件置于作为下位机的DSP器件中,负责获取传感信号并将信号变换为姿态信息, 以备控制所需,监测软件置于上位机PC中,可以接收并实时显示来自机器人的姿态信息和控制量,便于机器人系统的实验和调试。第二,采用极点配置控制策略实现了两轮自平衡机器人平衡控制。本文针对两轮自平衡机器人的平衡控制问题,对非线性模型线性化,采用极点配置的方法设计了两轮自平衡机器人2输入一3输出控制器。其2维输入为左电机和右电机电压,3维输出为姿态角、方向角,以及位移量。该控制器实现了姿态角和方向角以及位移量的综合控制。在仿真实验中使用所设计的平衡控制器,对机器人的姿态角,方向角度以及位移量分别做了控制。仿真实验表明,使用状态反馈设计的控制器,能够在保持两轮自平衡机器人平衡的状态下控制其运动到指定的位置。在取得了良好的仿真实验效果的基础上,将控制器用于实际物理系统,取得了良好的控制效果。第三,采用线性二次型跟踪调节器实现了机器人的直立匀速行走控制。本文针对两轮自平衡机器人的直线运动控制,在姿态角为零附近将模型线性化,采用线性二次型控制调节(LQR)设计了机器人的直立匀速行走控制器, 方向角的运动控制使用极点配置方法设计的控制器。在仿真实验中,成功实现了两轮自平衡机器人的直立匀速行走。第四,。,其中,模糊控制器实现机器人倾角平衡,比例控制器实现机器人的前进速度控制。两者的输出叠加作为控制信号, 控制机器人的直线运动。方向角的运动控制使用极点配置方法设计的控制器。在仿真实验中成功地实现了两轮自平衡机器人的两种运动模式的控制:1)指定倾角匀速行走运动模式,2)指定倾角加速行走运动模式。实验证明,模糊控制与比例控制器的有机结合,能够有效控制两轮自平衡机器人的两种运动模式, 北京:【业大学‘[学硕士学位论文并且大大降低了控制规则的数目。本文的研究工作得到了国家自然科学基金的支持,相关研究成果已经得到国家知识产权局的专利授权证书,08中国控制会议(ISTP检索)正式录用。本文的研究工作对于两轮自平衡机器人的设计及~类有多个反馈量、非线性、自不稳定系统的运动控制问题具有一定的参考价值。关键词两轮自平衡机器人;平衡控制;匀速行走;模糊一比例;指定姿态角控制 ABSTRACT = m_m m....。皇量曼皇曼曼曼曼曼曼量 ABSTRACT Two wheeled self-balancing robot(TWR)is allimportant classbionic system of wheeled mobile robot,and itsdynamic balance control is one oftheimportant issue in robotics and robot technology thispaper,some balance control issues such asdynamic balance control and velocity control ofTWR were analyzed,made thefollowing findings: First,a Posture Detection System(PDS)of theTⅥ佩was some sensors such asinclinometer,gyroscope,photoelectric encoders,and detection software and supervisor detection software wasembedded in DSP and cailconverse thesignals of se:nSOFS ofTWR tostatus information inorder tocontrol the monitor software was set