基于变载荷的两轮自平衡机器人的智能算法研究

论文摘要

两轮自平衡机器人作为一种本身不稳定的轮式移动机器人,具有多变量、非线性、欠驱动和高度耦合等特点,因此也是理想的验证各种控制算法和控制理论的实验平台。同时,两轮自平衡机器人运动灵活、成本低廉,结构简单,也使得它的应用前景十分广泛。深入针对两轮自平衡机器人的科研活动对于提高我国在机器人领域的研究水平、加速机器人的实际应用普及等具有重要的理论与实践意义。两轮自平衡机器人的机械结构对其自身平衡及运动控制具有重要的影响,在研究了国内外该领域的相关资料后,本文搭建了一个完整的两轮自平衡机器人系统仿真实验平台,介绍了两轮自平衡机器人的机械结构。对系统的姿态检测模块进行了设计分析。在考虑了姿态检测系统的误差的基础上,为了提高系统的精度以及控制的准确性,对硅微加速度计、硅微陀螺进行了标定,引入卡尔曼滤波器进行数据融合并进行了实验仿真。通过分析两轮自平衡机器人的运动规律,对车轮、车体、载荷以及机器人整体建立了运动学模型,并根据Lagrange法建立了动力学模型,为机器人控制算法的设计提供了理论依据。由于平衡控制是两轮自平衡机器人的基础,本文在建立了机器人动力学模型的基础上,采用基于T-S模糊模型的自平衡控制器以完成对两轮自平衡机器人的平衡控制,并进行了稳定性分析。通过仿真实验验证,基于T-S模糊模型的自平衡控制器能够有效的实现对两轮自平衡机器人的平衡控制。研究了不同的载荷对于平衡控制的影响。最后,建立了两轮自平衡机器人的硬件实验系统平台,为检验机器人的基本运动功能,分别进行了自平衡控制、带载荷自平衡实验、抗干扰实验、以及碰撞实验,实验结果证明所设计的两轮自平衡机器人及其智能控制算法能够行之有效的完成平衡控制任务。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 两轮自平衡机器人的国内外发展现状
• 1.2.1 定质心两轮自平衡机器人研究现状
• 1.2.2 变质心两轮自平衡机器人研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 两轮自平衡机器人的系统构成及硬件设计
• 2.1 引言
• 2.2 两轮自平衡机器人的总体设计
• 2.3 两轮自平衡机器人的机械结构设计
• 2.4 两轮自平衡机器人的控制系统设计
• 2.4.1 控制器设计
• 2.4.2 检测电路设计
• 2.4.3 电机及驱动电路设计
• 2.4.4 数码管显示电路
• 2.5 两轮自平衡机器人的工作原理
• 2.6 本章小结
• 第3章 两轮自平衡机器人姿态检测以及基于卡尔曼滤波的数据融合
• 3.1 引言
• 3.2 姿态检测模块以及数据融合
• 3.2.1 姿态检测模块
• 3.2.2 传感器数据标定
• 3.2.3 数据融合
• 3.3 卡尔曼滤波设计
• 3.3.1 卡尔曼滤波的原理
• 3.3.2 滤波器设计
• 3.4 滤波器仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 两轮自平衡机器人的系统模型建立
• 4.1 引言
• 4.2 两轮自平衡机器人的运动学建模
• 4.2.1 车轮运动学模型
• 4.2.2 车体运动学模型
• 4.2.3 负载的运动学分析
• 4.2.4 机器人运动学模型
• 4.3 两轮自平衡机器人的动力学建模
• 4.3.1 车轮动能模型
• 4.3.2 车体动能模型
• 4.3.3 负载的动能模型
• 4.3.4 机器人势能模型
• 4.3.5 系统的耗散能分析
• 4.3.6 基于Lagrange方程的动力学建模
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于T-S模糊模型的两轮自平衡机器人的智能控制
• 5.1 引言
• 5.2 T-S模糊模型
• 5.2.1 T-S模糊模型的特点
• 5.2.2 T-S模糊模型的结构及参数辨识
• 5.3 基于T-S模糊模型的两轮自平衡机器人的智能控制
• 5.3.1 基于T-S模糊模型的平衡控制的模糊规则
• 5.3.2 基于T-S模糊模型的两轮自平衡机器人的稳定性分析
• 5.3.3 系统的状态观测器
• 5.3.4 系统仿真
• 5.4 变载荷的两轮自平衡机器人的平衡运动研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 两轮自平衡机器人实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验平台概述
• 6.3 两轮自平衡机器人整体性能验证实验
• 6.3.1 自平衡试验
• 6.3.2 带载荷的自平衡实验
• 6.3.3 抗扰动实验
• 6.3.4 碰撞实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢