本文選題：多態(tài)自平衡車機器人　切入點：查浦雷金方法　出處：《桂林電子科技大學》2017年碩士論文

【摘要】：自行車機器人和獨輪車機器人作為輪式機器人的代表,具有車體狹小、結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活等特點,既深受廣大機器人愛好者的喜歡,也吸引著眾多國內(nèi)外研究者的目光,將其視為研究控制理論的理想平臺。目前,單獨針對自行車機器人和獨輪車機器人的研究比較多,而對可以同時實現(xiàn)兩者功能的研究相對較少。本文提出一種多態(tài)自平衡車機器人,該機器人兼具了自行車機器人和獨輪車機器人的結(jié)構(gòu)特點,不僅可以處于自行車或者獨輪車模式單獨運行,又可以靈活的在這兩種模式之間切換。論文以這種機器人為對象,圍繞著動力學建模和控制算法兩個方面展開,主要工作如下:(1)根據(jù)多態(tài)自平衡車機器人的結(jié)構(gòu)特點,首先,分別設(shè)計了多態(tài)自平衡車機器人自行車態(tài)和獨輪車態(tài)下的機構(gòu)簡圖;然后,對這兩種形態(tài)依次進行運動學和動力學分析,并基于查浦雷金方法建立它們的動力學模型;最后,通過逆動力學仿真來驗證動力學模型計算的正確性。(2)設(shè)計并搭建完成多態(tài)自平衡車機器人的物理樣機一臺,包括機構(gòu)本體和測控系統(tǒng)兩部分。機構(gòu)本體包括3個薄餅電機和1個步進電機,分別通過齒輪和同步帶傳遞動力。測控系統(tǒng)以TMS320F28335數(shù)字信號處理器(DSP)為核心,包括慣性測量單元、光電編碼器、電流傳感器、無線通訊模塊、直流穩(wěn)壓模塊以及動力鋰電池等,采用RS232總線方式串行連接4個電機驅(qū)動器。(3)對多態(tài)自平衡車機器人自行車態(tài)下的動力學模型進行解耦,采用線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)的方法設(shè)計多態(tài)自平衡車機器人自行車態(tài)下4種平衡運動的仿真分析與樣機實驗的控制器,4種平衡運動控制分別為:90/45??定車運動平衡控制、90/45??圓周回轉(zhuǎn)運動平衡控制。通過Matlab/simulink仿真分析與物理樣機實驗相結(jié)合的方法驗證了所設(shè)計控制策略的可行性與正確性。(4)采用LQR的控制方法,研究車架質(zhì)心位置變化對多態(tài)自平衡車機器人自行車態(tài)下的圓周回轉(zhuǎn)運動的影響,具體為:車架質(zhì)心位置橫、縱向變化對90/45??圓周回轉(zhuǎn)運動平衡控制的影響。通過Matlab/simulink仿真分析了車架質(zhì)心位置變化時,90/45??圓周回轉(zhuǎn)運動平衡控制的影響,并進行了車架質(zhì)心位置橫、縱向變化時,90?圓周回轉(zhuǎn)運動的物理樣機實驗研究。(5)對多態(tài)自平衡車機器人獨輪車態(tài)下的動力學模型進行解耦,采用部分反饋線性化的控制原理,設(shè)計了動態(tài)俯仰平衡運動控制器,并通過Matlab與Adams聯(lián)合仿真驗證所設(shè)計控制策略的可行性與正確性。
[Abstract]:As the representative of wheeled robot, bicycle robot and unicycle robot have the characteristics of small body, simple structure, flexible movement and so on. They are loved by many robot enthusiasts and attract the attention of many researchers at home and abroad.It is regarded as an ideal platform for studying control theory.At present, there are many researches on bicycle robot and unicycle robot alone, but there are few researches on how to realize the two functions simultaneously.In this paper, a polymorphic self-balancing vehicle robot is proposed. The robot has the structural characteristics of both the bicycle robot and the unicycle robot, which can not only be operated separately in the bicycle or unicycle mode.It is also flexible to switch between the two modes.This paper focuses on the dynamics modeling and control algorithm. The main work is as follows: 1) according to the structural characteristics of the polymorphic self-balancing vehicle robot, first of all,Then, kinematics and dynamics analysis of the two kinds of robot are carried out in turn, and their dynamic models are established based on Chaplerkin's method.The inverse dynamics simulation is used to verify the correctness of the dynamic model calculation. (2) A physical prototype of a polymorphic self-balancing vehicle robot is designed and built, which includes two parts: the mechanism body and the measurement and control system.The mechanism body consists of three pancake motors and one stepping motor, which transfer power through gear and synchronous belt respectively.The measurement and control system takes TMS320F28335 digital signal processor (DSP) as the core, including inertial measurement unit, photoelectric encoder, current sensor, wireless communication module, DC stabilized voltage module and power lithium battery, etc.The dynamic model of a polymorphic self-balancing robot under bicycle state is decoupled by serial connection of four motor drivers with RS232 bus mode.Using the method of Linear Quadratic regulator (LQR) to design the simulation analysis of four kinds of equilibrium motion of a polymorphic self-balancing robot under the bicycle state and the controller of the prototype experiment four kinds of balancing motion control are: 90 / 45?Fixed vehicle motion balance control 90 / 45?Circumferential rotation motion balance control.The feasibility and correctness of the designed control strategy is verified by combining the Matlab/simulink simulation analysis with the physical prototype experiment.This paper studies the influence of the change of the center of mass of the frame on the circumferential rotation motion of the robot bicycle under the condition of polymorphic self-balancing vehicle. The concrete results are as follows: the position of the center of mass of the frame is transverse and the longitudinal change has the effect on the 90 / 45?The influence of circumferential rotation motion balance control.Through Matlab/simulink simulation, the change of mass center position of the frame is analyzed when 90 / 45?The influence of the balance control of the circumferential rotation motion is carried out, and the position of the center of mass of the frame is transverse and the longitudinal change is 90?The physical prototype experiment of circumferential rotation. 5) decoupling the dynamic model of a polymorphic self-balancing robot in the state of a unicycle, and using the control principle of partial feedback linearization, a dynamic pitching balancing motion controller is designed.The feasibility and correctness of the proposed control strategy are verified by combined simulation of Matlab and Adams.
【學位授予單位】：桂林電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

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本文編號：1720382