一种独轮机器人的建模与运动平衡控制研究.pdf

1
北京工业大学硕士学位论文英文并列题墅壁坠兰盟堡△盟坠旦△坠△盥￡壁尘尘堕荙餍廷ā闥￡┛裃至迫遁目分类号:单位代码:学号:密级:公开专论文报告提交日期生亢跣┨胘匕立直麴圈匡垩丕圄挝鸪学位授予日期授予单位名称和地址
2
3
/.独创性声明关于论文使用授权的说明他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得叭跣┨没蚱渌逃本人完全了解叭跣┛糜泄乇A簟⑹褂醚宦畚牡墓娑ǎ矗貉S本人声明所呈交的论文是我个人在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的地方外,论文中不包含其机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。签名:权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。C艿穆畚脑诮饷芎笥ψ袷卮斯娑
4
5
摘要运动平衡控制问题是机器人系统中普遍存在的问题,其中,最典型的是两轮机器人、双足机器人、独腿机器人、独轮机器人。这些机器人又可称作:“自平衡机器人饧葱枰T硕胶饪刂频幕魅恕;魅嗽硕胶饪刂莆侍猓是机器人学研究的重要问题,又是控制科学研究的重要问题。独轮机器人系统,需要同时控制系统的前向平衡、侧向平衡以及速度和航向等,具有重要的研究价值。本文针对独轮机器人系统的建模和运动平衡控制问题进行研究,取得以下主要研究成果:第一:基于劳斯方程的独轮机器人系统建模本文根据劳斯方程建立独轮机器人系统的动力学模型。将机器人系统抽象为由车轮、机器人体及惯性轮三个刚体组成的系统,对其进行假设和简化,利用劳斯方程建立了独轮机器人系统的动力学模型,并通过仿真实验验证系统模型的正确性,进而分析系统的稳定性和能控性。第二:独轮机器人系统的线性二次型最优控制将独轮机器人系统在平衡点附近线性化,设计线性二次型最优调节控制器,实现机器人的平衡控制:并通过坐标变换方法,将系统的最优跟踪问题转化成最优调节问题,实现系统的运动控制。仿真实验表明,当机器人倾角在一定范围内时,控制器可以实现机器人的运动平衡控制。超过该范围,控制器失效。第三:独轮机器人系统的基于融合函数的模糊控制将独轮机器人系统在平衡点附近线性化,进而将系统在平衡点附近解耦为侧向和前向两个正交方向的子系统。然后针对各个子系统,分别设计基于融合函数的模糊控制器,降低了模糊规则数。通过仿真实验可知,本文所设计的模糊控制器,减小了系统超调和调节时间,增强了系统的抗干扰性。第四:独轮机器人系统的分组分层滑模变结构控制根据独轮机器人系统非线性模型的特点,设计一种分组分层滑模变结构控制器,并通过理论分析,证明所设计控制器各个滑模面的渐近稳定性。仿真实验表明,所设计的滑模控制器能够有效实现系统的运动平衡控制,扩大了系统的可控范围,降低了系统姿态角的超调,减小了系统所需的控制量,具有较强的鲁棒性,对外界干扰具有一定的自适应性。第五:基于虚拟现实环境的独轮机器人运动平衡控制仿真实验本文采用魑6缆只魅诵槟庀质凳笛榈动力学计算引擎,在虚拟现实环境中建立独轮机器人的可视化动力学模型,将’
6
该模型的开环响应与本文建立的系统数学模型开环响应对比,进一步验证数学模型的正确性。并以虚拟现实环境中的独轮机器人为控制对象,实现独轮机器人的平衡控制、匀速运动控制和位置控制,验证控制算法。本课题得到国家“苹项目;国家自然科学基金项目;北京市教委重点项目;北京市人才强教计划项目;以及高等学校博士学科点专项科研基金的资助。本文所取得的研究成果对于机器人系统的研究具有参考意义。关键词独轮机器人;建模;线性二次型;模糊控制;滑模控制;虚拟现实北京工业大学工学硕士学位论文
7
..:.琹,.,琣,,,.,.瓵琣’:畉猠...
8
甌,琍,籉籑籐痵瑆’。瑀’...·
9
目录摘!璉第绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯独轮机器人的研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..独轮机器人系统及其控制方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯...⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.ê涂刂颇勘辍典型独轮机器人系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.论文研究内容及组织结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯第露缆只魅讼低车纳杓坪湍P脱芯俊引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.独轮机器人系统设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯独轮机器人系统数学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.