【摘要】：單球自平衡移動機器人源于倒立擺模型,是一個典型的多變量、非線性、高階次、強耦合和靜態(tài)不穩(wěn)定系統(tǒng)。單球自平衡移動機器人模型的控制理論,也被廣泛的應(yīng)用于機器人及人工智能控制、導(dǎo)彈攔截及空間站的對接控制、火箭發(fā)射及航天器飛行中的姿態(tài)控制等領(lǐng)域。本文針對單球自平衡移動機器人的自平衡控制問題,研制了物理樣機,并對樣機進(jìn)行了力學(xué)建模與控制算法的研究,取得了以下主要研究成果:首先,通過對單球自平衡移動機器人機械結(jié)構(gòu)及運動特性的研究,同時參考“Rezero”機器人的設(shè)計,建立起了單球自平衡移動機器人的物理樣機。建立的物理樣機在機械結(jié)構(gòu)上將三個全向輪軸線與鉛垂線之間的夾角設(shè)計的更小,使全向輪與驅(qū)動球體之間的有效摩擦力更大,運動的傳遞效率也更高。此外,單球自平衡移動機器人整個控制系統(tǒng)的主控制器使用的是美國TI公司生產(chǎn)的型號為TMS320FC28335的高速DSP(數(shù)字信號處理器)開發(fā)板,同時以超核電子推出的一款高性能九軸姿態(tài)傳感器作為檢測裝置,從而使整個單球自平衡移動機器人控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快、精度與效率都更高。其次,在系統(tǒng)分析和研究單球自平衡移動機器人機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上將單球自平衡移動機器人模型等效為原理簡單、理論成熟的一級倒立擺模型及IASMP(Inverse Atlas Spherical Motion Platform)模型,極大地提高了單球自平衡移動機器人系統(tǒng)建模的準(zhǔn)確性與可靠性。同時利用歐拉-拉格朗日方程與雅可比矩陣分別對單球自平衡移動機器人進(jìn)行了動力學(xué)與運動學(xué)建模,并將建立的動力學(xué)方程在系統(tǒng)狀態(tài)零點附近進(jìn)行了線性化處理得到了線性化模型,最后對線性化模型進(jìn)行了能控性、能觀性及穩(wěn)定性分析。然后,針對單球自平衡移動機器人的自平衡控制(包括位置控制與傾角控制)問題設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛的PID與LQR兩種控制算法。其中PID控制算法主要對單球自平衡移動機器人的位置進(jìn)行控制、LQR控制算法主要對單球自平衡移動機器人的傾角進(jìn)行控制。同時運用MATLAB/SIMULINK軟件分別對PID與LQR兩種控制算法的控制效果進(jìn)行了仿真與分析。最后,根據(jù)單球自平衡移動機器人自平衡控制的需求設(shè)計了單球自平衡移動機器人傾角控制程序、位置控制程序及運動轉(zhuǎn)換程序。同時對搭建的控制系統(tǒng)的軟硬件都進(jìn)行了在線調(diào)試,并將控制算法編寫成CCS(DSP編程軟件)程序代碼燒入DSP主控制器中對單球自平衡移動機器人樣機進(jìn)行了實驗分析,驗證了所設(shè)計的控制算法的有效性。
[Abstract]:The single-ball self-balancing mobile robot is a typical multi-variable, nonlinear, high-order, strongly coupled and static unstable system, which originates from the inverted pendulum model. The control theory of single-ball self-balancing mobile robot model is also widely used in robot and artificial intelligence control missile interception and docking control of space station rocket launch and attitude control in spacecraft flight. In this paper, a physical prototype is developed for the self-balancing control of a single-ball self-balancing mobile robot, and the mechanical modeling and control algorithm of the prototype is studied. The main research results are as follows: first of all, By studying the mechanical structure and motion characteristics of a single ball self-balancing mobile robot and referring to the design of "Rezero" robot, the physical prototype of a single ball self-balancing mobile robot is established. The mechanical structure of the physical prototype is designed to make the angle between the three omnidirectional axle lines and the lead vertical line smaller, so that the effective friction between the omnidirectional wheel and the driving sphere is greater, and the transfer efficiency of motion is also higher. In addition, the main controller of the whole control system of a single ball self-balancing mobile robot is a high-speed DSP (Digital signal processor) development board, which is made by TI Company of the United States, and is a model of TMS320FC28335. At the same time, a high-performance nine-axis attitude sensor developed by super-nuclear electron is used as the detection device, which makes the control system of the self-balancing mobile robot with single ball faster response speed, higher precision and higher efficiency. Secondly, on the basis of systematic analysis and research on the mechanical structure of single-ball self-balancing mobile robot, the model of single-ball self-balancing mobile robot is equivalent to the first-order inverted pendulum model and IASMP (Inverse Atlas Spherical Motion Platform) model with simple principle and mature theory. The accuracy and reliability of single ball self-balanced mobile robot system modeling are greatly improved. At the same time, using Euler-Lagrangian equation and Jacobian matrix, the dynamics and kinematics of single-sphere self-balancing mobile robot are modeled. The linearization model is obtained by linearizing the dynamic equation near the zero point of the system. Finally, the controllability, observability and stability of the linearization model are analyzed. Then, two control algorithms, PID and LQR, which are simple in structure and widely used, are designed for the self-balancing control (including position control and inclination control) of a single-ball self-balancing mobile robot. The PID control algorithm mainly controls the position of the single-ball self-balancing mobile robot, and the LQR control algorithm mainly controls the inclination of the single-ball self-balancing mobile robot. At the same time, the control effect of two control algorithms, PID and LQR, is simulated and analyzed by using MATLAB/SIMULINK software. Finally, according to the requirement of self-balancing control of single-ball self-balancing mobile robot, the control program of inclination angle, position control program and motion conversion program of single-ball self-balancing mobile robot are designed. At the same time, the software and hardware of the control system are debugged on line, and the control algorithm is written into the CCS (DSP programming software. The program code is burned into the DSP master controller and the experimental analysis of the single-ball self-balancing mobile robot prototype is carried out. The effectiveness of the proposed control algorithm is verified.
【學(xué)位授予單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2320367