两轮自平衡机器人控制关键技术的研究

论文摘要

两轮自平衡机器人属于轮式机器人范畴,其结构简单、移动灵活,适合在狭小的空间中工作,作为一种新型的代步工具和小型机器人,拥有广阔的应用前景。其控制的数学模型具有高阶次、不稳定、多变量、非线性和强耦合的特点,是验证各种控制算法的理想平台,具有重要的理论研究意义。现有的两轮自平衡机器人控制,大多采用的是简化的线性模型,总体效果欠佳。本文基于上海市科学技术委员会重点项目“机器人移动部件关键技术研究”,设计了一款两轮自平衡机器人,并对被控模型和控制算法进行了专门的研究,实现了高精度的控制效果。其主要研究内容和成果包括:1.针对所研制两轮自平衡机器人的特点,对现常用的控制方法进行了较深入的理论分析和实验研究,明确了该类算法的问题,为算法的改进提供了基础。2.针对上述研究中发现的常用控制方法效果和鲁棒性等方面的不足,提出了一种将线性控制理论与模糊控制理论有效地结合的控制模型,并通过理论和实验研究验证了这种复杂的非线性控制问题研究思路。有效地提高了两轮自平衡机器人的控制精度。3.设计了一个基于模块化、具有良好开放性和性能的控制系统,为整个系统的实验研究、系统实现以及后续研究提供了平台。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的背景和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 对比分析
• 1.5 本文研究内容
• 第二章 两轮自平衡机器人系统分析
• 2.1 本文研究目标、难点分析及技术路线
• 2.1.1 研究目标
• 2.1.2 难点分析
• 2.1.3 技术路线
• 2.2 两轮自平衡机器人系统分析
• 2.2.1 自平衡原理分析
• 2.2.2 机器人数学建模
• 2.2.3 数学模型线性化
• 2.2.4 状态方程解耦
• 2.2.5 控制系统框架
• 2.3 本章小结
• 第三章 SHUBot 平台设计
• 3.1 SHUBot 平台设计思想
• 3.2 SHUBot 硬件平台设计
• 3.2.1 设计思路
• 3.2.2 SHUBot 硬件平台
• 3.3 SHUBot 软件平台设计
• 3.3.1 设计思路
• 3.3.2 SHUBot 软件平台
• 3.4 本章小结
• 第四章 经典控制算法分析及实验研究
• 4.1 算法判别标准
• 4.2 控制算法对比分析
• 4.3 SHUBot 特性分析
• 4.3.1 状态方程
• 4.3.2 系统能控性、能观性分析
• 4.4 经典控制算法研究
• 4.4.1 极点配置理论
• 4.4.2 SHUBot 极点配置算法及仿真
• 4.4.3 LQR 算法理论
• 4.4.4 SHUBot LQR 算法及仿真
• 4.5 实验研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 模糊LQR 算法及实验研究
• 5.1 模糊LQR 算法设计思路
• 5.2 理论基础
• 5.2.1 模糊控制理论
• 5.2.2 T-S 模糊模型
• 5.3 SHUBot 模糊LQR 算法设计
• 5.4 实验研究
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文研究成果
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文、申报专利情况
• 致谢