独轮机器人姿态控制研究

论文摘要

独轮机器人是一种本征不稳定的轮式移动机器人,具有多变量、高度非线性、强耦合、时变、欠驱动等特点,可以作为验证各种控制算法的理想平台,具有十分重要的理论意义。同时它体积较小、结构简单、运动灵活,适于在狭小的空间工作,因而有着广泛的应用前景。本文旨在探讨独轮机器人姿态控制算法设计相关问题,为最终实现机器人的自主移动打下基础。首先通过分析独轮机器人的运动规律,得到了机器人动能和势能的数学模型,并根据Lagrange方程法建立了机器人的动力学模型,为控制器设计提供了理论依据。其次,为将复杂的拉格朗日动力学方程用于独轮机器人的实时控制,根据方程本身的特点对其进行了简化,将独轮机器人动力学分解成侧位姿平衡动力学、前后运动动力学和旋转动力学三部分,并相应地得到三个状态空间子模型。然后,基于简化模型提出了简单实用的姿态控制方案。即,分别独立设计侧位姿平衡和前后运动状态反馈控制器,并运用变增益控制方法考虑侧位姿平衡动力学、前后运动动力学和旋转动力学之间的耦合效应,最后通过两个控制器的联合作用实现独轮机器人直线移动状态下的姿态控制。采用Lyapunov直接法分析证明了在直立状态附近这一邻域内,姿态镇定控制下独轮机器人系统的渐近稳定性,说明了设计的合理性。然后利用MatlAB工具对独轮机器人姿态控制器进行了仿真实验,其结果验证了所提控制算法的可行性和有效性。同时,机器人左右和前后方向的干扰仿真验证了所设计的姿态控制系统具有抗干扰能力。为使欠驱动独轮机器人具有自由行走能力,作为补充研究,对其转向控制做了简要讨论,通过控制独轮机器人在左右方向和前后方向分别跟踪一定的倾斜角度命令,实现了机器人的转向;并详细分析了各不同参数(轮速命令大小、倾斜角度命令的方向、幅值、频率、相位差)对机器人转向的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外的研究现状及分析
• 1.2.1 采用水平转子结构的独轮机器人
• 1.2.2 采用垂直转子结构的独轮机器人
• 1.2.3 采用陀螺仪结构的独轮机器人
• 1.3 本课题的研究目标和研究内容
• 第2章 独轮机器人动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 独轮机器人运动学分析
• 2.2.1 模型分析及参数设定
• 2.2.2 坐标转换
• 2.2.3 独轮机器人的速度分析
• 2.3 独轮机器人系统动力学建模
• 2.3.1 系统动能
• 2.3.2 系统势能
• 2.3.3 系统Lagrange动力学方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 独轮机器人姿态控制算法的设计
• 3.1 引言
• 3.2 独轮机器人动力学方程简化与分解
• 3.2.1 动力学方程惯量矩阵的简化与分解
• 3.2.2 动力学方程非线性耦合项的参数化
• 3.3 反馈控制器设计
• 3.3.1 反馈控制系统数学描述
• 3.3.2 可变控制增益设计
• 3.4 控制系统稳定性分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 独轮机器人控制系统仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 姿态控制系统仿真实验
• 4.2.1 速度跟踪仿真实验
• 4.2.2 抗干扰仿真实验
• 4.3 独轮机器人的转向控制
• 4.3.1 转向控制方法
• 4.3.2 倾角命令中参数变化对转向的影响
• 4.4 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢