基于LabVIEW的平衡车建模与仿真研究

论文摘要

基于倒立摆模型的平衡车属于轮式机器人的范畴,其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、参数不确定等特性,这使得它成为验证各种控制算法的理想模型。同时,其体积小、结构简单、运动灵活,适于在狭小和危险的空间内工作,在民用和军事上有着广泛的应用前景,因此本文选择平衡车作为研究对象具有重要的理论意义和应用价值。LabVIEW是图形化的编程语言和开发环境,被称为工程师的语言,借助LabVIEW控制设计工具包,可以方便快速的对平衡车系统进行建模、分析和控制算法设计。美国国家仪器公司（NI）推出的CompactRIO是一款工业级嵌入式测控系统,集成了嵌入式实时（Real-time）控制器、可编程硬件逻辑（FPGA）和可重配置的I/O模块。NI CompactRIO系统和LabVIEW开发环境可以无缝连接,使用户可以轻松的通过图形化开发环境访问底层硬件,快速建立平衡车嵌入式硬件控制系统,并把在上位机上经过仿真验证的成功的算法部署到平衡车控制器里面,整个开发流程清晰,界面友好,能大大缩短平衡车从算法到原型的开发时间。本文旨在探讨平衡车控制系统设计、数学建模和控制算法设计相关问题。在分析和借鉴国内外平衡车的控制系统结构组成基础上,我们选择NI的CompactRIO嵌入式测控系统构建平衡车的控制系统。通过分析平衡车的运动规律,建立了小车的运动学模型,得到小车动能、势能和耗散能的数学模型,并根据拉格朗日方程建立小车的动力学模型,基于小车的状态空间模型,进行了小车系统稳定性、能控性和能观性分析,为平衡车控制器的设计提供理论依据。极点配置、线性二次型算法和模糊控制算法都是平衡车适用的控制算法。本文中基于LabVIEW及其控制设计工具包完成了平衡车的极点配置控制器、线性二次最优调节器（LQR）和模糊控制器的设计,并通过对平衡车三种控制器的平衡控制和位移跟踪控制效果仿真,都获得了理想的平衡控制与位移跟踪效果。在最后对本论文中用到的三种控制算法进行了对比分析,结果表明,模糊控制有好的鲁棒性和瞬态性,极点配置控制次之,LQR最差,但是LQR有很好的稳态特性,而且实现难度较低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文概述
• 1.1.1 论文的提出
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状和发展趋势
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 几种典型自平衡机器人控制系统比较
• 1.2.3 自平衡机器人发展趋势
• 1.3 论文研究的内容和关键技术
• 1.3.1 论文的主要研究内容
• 1.3.2 论文的关键技术
• 1.4 本章小结
• 第二章 平衡车的控制系统设计
• 2.1 平衡车的平衡思想
• 2.2 平衡车的工作原理
• 2.3 平衡车的控制系统
• 2.3.1 cRIO 嵌入式测控系统
• 2.3.2 cRIO 平台硬件配置
• 2.3.3 驱动单元
• 2.3.4 传感器单元
• 2.4 平衡车控制算法仿真软件
• 2.4.1 LabVIEW 简介
• 2.4.2 LabVIEW 的控制设计工具包
• 2.4.3 LabVIEW 的模糊逻辑工具包
• 2.5 cRIO 平台上平衡车软件实现
• 2.6 本章小结
• 第三章 平衡车系统建模和性能分析
• 3.1 系统数学建模
• 3.1.1 小车动能计算
• 3.1.2 平衡车的势能和耗散能计算
• 3.1.3 平衡车的数学模型
• 3.2 系统性能分析
• 3.2.1 稳定性分析
• 3.2.2 能控性分析
• 3.2.3 能观性分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 模糊控制理论与模糊控制器
• 4.1 模糊集合论
• 4.1.1 模糊集合的定义
• 4.1.2 模糊集合的表示方法
• 4.2 常用的隶属函数
• 4.2.1 基本隶属函数
• 4.2.2 隶属函数应该遵循的原则
• 4.3 模糊关系
• 4.4 模糊推理
• 4.4.1 Sugeno 模糊模型
• 4.4.2 Mamdani 模糊模型
• 4.5 模糊控制系统
• 4.5.1 模糊控制器
• 4.5.2 模糊控制器的结构
• 4.5.3 模糊控制规则
• 4.5.4 解模糊判决方法
• 4.6 本章小结
• 第五章 平衡车控制器设计及仿真
• 5.1 平衡车极点配置控制器设计
• 5.1.1 极点配置理论
• 5.1.2 反馈矩阵的求法
• 5.1.3 极点配置控制器设计
• 5.1.4 平衡车极点配置控制器仿真
• 5.2 平衡车最优线性二次状态调节器设计
• 5.2.1 线性二次型理论
• 5.2.2 LQR 控制器设计
• 5.2.3 平衡车LQR 控制器仿真
• 5.3 平衡车模糊控制器设计
• 5.3.1 模糊控制器结构
• 5.3.2 基于 LabVIEW 的模糊隶属度函数和模糊规则
• 5.3.3 小车模糊控制器仿真
• 5.4 控制算法的比较
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简介
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢