两轮自平衡机器人控制算法研究.pdf

ClassifiedIndex:TP273 Dissertation fortheMaster Degree inEngineering 一1一一 Resem℃h ofThe Two-wheeled Self-balancing Robot Control Candidate: Supervisor: Xie Baobin Wu Junfeng Academic Degree Applied for-^ Master ofEngineering Specialty: Control Theory and Control Engineering Date ofOralExamination: March,20 14 University: Harbin University ofScience and Technology 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《两轮自平衡机器人控制算法的研究》,是本人在导师指导下,在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名:粥码日期:Ⅶ怍17弓月f口日 j / 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《两轮自平衡机器人控制算法的研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导完下成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密口,在年解密后适用授权书。不保密团。(请在以上相应方框内打√) 作者签名: 导师签名: 日期:弘、丫年唠J勺日日期:加丫年。y l移日哈尔滨理工大学工学硕士学位论文两轮自平衡机器人控制算法的研究摘要两轮自平衡机器人是一个多变量、非线性、高阶次、强耦合、本质不稳定的运动控制系统,它是检验各种控制理论和控制方法的典型装置。同时两轮机器人具有结构简单、运行稳定、能量利用率高、环境适应性强等优点, 无论是在军事领域还是在民用领域都得到了广泛的应用。因此,对其研究具有很高的理论和实践意义。首先,对机器人中的传感器单元、控制单元和驱动单元中的各个元器件进行了研究,包括陀螺仪、倾角仪、数字信号处理器、驱动电机等。其次,应用两种方法对两轮自平衡机器人进行数学建模:一是基于牛顿力学方程建立系统的数学模型:二是基于拉格朗日方程建立系统的数学模型。应用平衡点附近近似化原理对机器人非线性数学模型进行了线性化。对系统的能控性、能观性和稳定性进行分析。然后,本文设计了一个LQR控制器,选取了最优的Q、R阵,并且搭建了LQR控制系统的仿真模型,首先进行了MATLAB仿真,取得了比较理想的控制效果,然后将该方法应用到两轮自平衡机器人的实时控制实验中,机器人能较好的实现自平衡,取得了比较好的控制效果。最后,鉴于LQR控制方法过于依赖精确的数学模型,本文提出了另一种方法:双闭环PID控制方法。,进而搭建模型进行仿真实验,确定其中的控制参数,得到理想的仿真结果。为了更好的验证此控制方法的可行性,把该控制方法应用到机器人中进行实时控制实验,实验时机器人能够很好的实现自平衡。结果表明该方法不但可以精确稳定的对机器人进行控制,而且相比于LQR控制方法具有更加良好的控制效果,具有很高的理论和应用价值。关键词自平衡机器人;PID控制;LQR控制;仿真哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 Research ofThe Two-wheeled Self-balancing Robot Control Abstract The two-wheeled self-balancing robot system lS considered as a typical research target with the characteristics ofmultiple-variables,non-linear,high order,coupled,and ,the robot e allessentialand classicalexperiment facility toprove various kinds ofcontrol theory andcontrol ,the self-balancing r