论文摘要
单轮机器人在左右自由度和俯仰自由度上是静态不稳定的,系统本身具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性,是验证各种控制算法的理想平台,具有十分重要的理论意义。此外单轮机器人具有结构简单、运行灵活、成本低等特点,适合在狭小和危险的环境工作,具有广泛的应用前景。本文将单轮机器人的平衡控制分为纵向稳定控制和侧面稳定控制。针对左右自由度平衡设计了“配重稳定”式和“陀螺稳定”式两种结构,并对“配重稳定”式结构建立数学模型,设计了PID控制器。通过Matlab仿真实验验证了该模型的可行性。本文重点分析设计了单轮机器人的俯仰自由度平衡控制。根据牛顿力学定律建立了下平衡组件的动力学模型,将其线性化得到了系统的线性状态方程。然后基于此模型的线性状态方程进行了系统能控性、能观性和稳定性分析,利用极点配置方法设计了俯仰倾角控制器,并利用Matlab进行了仿真分析。针对传统极点配制算法无法克服机器人运动过程中干扰大、参数变化的问题,设计了滑模变结构控制器。滑模变结构控制方法具有鲁棒性好的优点,适合用于控制单轮机器人静态稳定。仿真结果表明在系统输入受干扰时的情况下,滑模变结构控制算法使系统的跟踪速度更快、稳定性更高,具有较高的实际应用价值。
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摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题背景及研究意义1.2 单轮机器人的研究现状1.2.1 国外研究现状1.2.2 国内研究现状1.3 本文主要研究工作第2章 左右自由度的倾角控制2.1 配重稳定原理式设计2.1.1 数学模型的建立2.1.2 应用PID控制算法控制机器人2.1.3 控制算法Matlab仿真2.2 陀螺稳定原理式设计2.3 本章小节第3章 俯仰自由度的倾角控制3.1 动力学模型的建立3.1.1 直流电机建模3.1.2 动力学建模3.2 模型线性化与分析3.2.1 模型的线性化3.2.2 系统性能分析3.3 极点配制控制器设计及仿真3.3.1 极点配置控制器设计3.3.2 极点配制控制器仿真与分析3.4 本章小结第4章 俯仰自由度的滑模变结构控制4.1 滑模变结构理论基础4.1.1 滑模变结构理论4.1.2 滑模变结构设计4.2 单轮机器人俯仰自由度变结构控制器设计4.2.1 基于等速趋近律的变结构控制器设计4.2.2 基于指数趋近律的变结构控制器设计4.3 极点配置与变结构控制仿真与分析4.4 本章小结结论参考文献攻读学位期间发表的学术论文致谢
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