本文針對(duì)單球移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、平衡與軌跡跟蹤控制問題,首先介紹了單球移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型,分析了該機(jī)器人的系統(tǒng)控制特點(diǎn)及其影響因素,從硬件選型和控制算法方面確定了提高控制系統(tǒng)性能的方案;其次研究了平衡、軌跡跟蹤控制策略和控制算法及仿真分析;再將研究的平衡、軌跡跟蹤控制算法集成一體,進(jìn)行了單球移動(dòng)機(jī)器人控制的綜合實(shí)驗(yàn)。獲得了如下主要研究成果:一、以本學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)研制的單球移動(dòng)機(jī)器人為研究對(duì)象,詳細(xì)介紹了單球移動(dòng)機(jī)器人的組成與結(jié)構(gòu),配置了以高性能DSP、內(nèi)嵌控制芯片的慣性檢測(cè)單元HI219等組成的系統(tǒng)控制硬件;建立了全向輪與驅(qū)動(dòng)球之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;應(yīng)用Eular-Lagrange方程,推導(dǎo)了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型;應(yīng)用Matlab分析了該機(jī)器人系統(tǒng)的可控性、可觀性及穩(wěn)定性,確定了系統(tǒng)的控制策略。二、在前述所建立的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)機(jī)器人自平衡控制的特點(diǎn),對(duì)相應(yīng)的模型線性化處理,并應(yīng)用基于遺傳算法優(yōu)化的LQR控制方法設(shè)計(jì)了基于遺傳算法優(yōu)化的LQR控制器;利用遺傳算法的并行全局搜索能力求出最優(yōu)權(quán)矩陣Q、R參數(shù),解決了單球移動(dòng)機(jī)器人LQR控制方法中權(quán)矩陣Q、R難確定的問題;仿真結(jié)果表明:遺傳算法優(yōu)化的LQR控制器能快速穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)平衡與位置控制,相比于傳統(tǒng)的LQR控制,其實(shí)時(shí)性更好、魯棒性更強(qiáng)。根據(jù)機(jī)器人軌跡跟蹤控制的欠驅(qū)動(dòng)、非線性特點(diǎn),在保證系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的情況下,引入了高增益觀測(cè)器來估計(jì)不可測(cè)變量以提高反饋?zhàn)兞康木?構(gòu)建了一種基于高增益觀測(cè)器分離定理的欠驅(qū)動(dòng)滑�？刂品椒�,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軌跡跟蹤控制器。仿真結(jié)果顯示:所設(shè)計(jì)的軌跡跟蹤控制器,實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)平衡與良好的軌跡跟蹤,同時(shí),從調(diào)節(jié)時(shí)間和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)上證明了該控制器響應(yīng)速度快,魯棒性強(qiáng),解決了系統(tǒng)抗干擾能力弱、狀態(tài)不可測(cè)等問題。三、將基于遺傳算法優(yōu)化的LQR控制器和基于高增益觀測(cè)器分離定理的欠驅(qū)動(dòng)滑模軌跡跟蹤控制器應(yīng)用于單球移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)中,在CCS平臺(tái)上進(jìn)行了相應(yīng)的控制軟件系統(tǒng)開發(fā),進(jìn)行了單球移動(dòng)機(jī)器人的平衡控制實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)結(jié)果與平衡控制的仿真結(jié)果對(duì)比,結(jié)果表明:機(jī)器人的姿態(tài)角基本保持在?5控制范圍內(nèi),穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間保持在3s以內(nèi);受到干擾的情況下,優(yōu)化的LQR控制器可在?10范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)角控制,而在超過?10時(shí),基于高增益觀測(cè)器分離定理的欠驅(qū)動(dòng)滑�？刂破饕廊荒鼙ＷC姿態(tài)平衡調(diào)整。由此可見,本文研究的單球移動(dòng)機(jī)器人控制策略與控制算法是可行且具有更好的穩(wěn)定性、魯棒性、實(shí)時(shí)性。
【學(xué)位單位】：江西理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

5”戰(zhàn)略的實(shí)施，近年來我國(guó)的工業(yè)機(jī)發(fā)達(dá)國(guó)家比，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人和服機(jī)器人廣泛應(yīng)用于軍事、物流、交通用于工業(yè)，也可應(yīng)用于服務(wù)業(yè)；移動(dòng)[3,4]。本文研究涉及的單球移動(dòng)機(jī)器動(dòng)機(jī)器人發(fā)展而來的一種全向平衡移人相比，單球移動(dòng)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)點(diǎn)。然而，單球移動(dòng)機(jī)器人是騎在一方位的倒立擺系統(tǒng)，是一個(gè)典型的非的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；其控制系統(tǒng)是綜合了究單球移動(dòng)機(jī)器人的控制理論與技術(shù)了國(guó)內(nèi)外越來越多的學(xué)者重視和關(guān)注

Nagarajan 等人[12]繼續(xù)推進(jìn)了“Ballbot”的研究，在建模中，更而避免了兩個(gè)廣義坐標(biāo)之間的耦合，考慮了摩擦損耗，使整個(gè)模型態(tài)平衡、位置保持、偏航運(yùn)動(dòng)、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。文獻(xiàn)[13]針束和欠驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，提出了一種離線軌跡規(guī)劃算法，為未驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)足動(dòng)態(tài)約束下的靜態(tài)配置要求，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)具有抗干擾了帶有手臂的“Ballbot”機(jī)器人，提出了一種利用動(dòng)態(tài)約束方程來法，當(dāng)軌跡被跟蹤時(shí)，實(shí)現(xiàn)位移誤差小，得到最優(yōu)位移跟蹤。“Ballbot”，其他國(guó)家也相繼研發(fā)了其他相似的單球移動(dòng)機(jī)器人umagai 等人開始研究單球移動(dòng)機(jī)器人，先后發(fā)明了“BallIP1”、“-W”[15]，如圖 1.3-1.5 所示。在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上，這三個(gè)機(jī)器人與“Ba兩者提出了一種由三個(gè)全向輪驅(qū)動(dòng)球體運(yùn)動(dòng)的新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，后者滾輪的裝置。與“Ballbot”相比，這三類機(jī)器人都解決了“Ballb問題。在控制上，提出了雙 PD 穩(wěn)定控制方法，具有一定的攜帶負(fù)

Nagarajan 等人[12]繼續(xù)推進(jìn)了“Ballbot”的研究，在建模中，更而避免了兩個(gè)廣義坐標(biāo)之間的耦合，考慮了摩擦損耗，使整個(gè)模型態(tài)平衡、位置保持、偏航運(yùn)動(dòng)、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。文獻(xiàn)[13]針束和欠驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)，提出了一種離線軌跡規(guī)劃算法，為未驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)足動(dòng)態(tài)約束下的靜態(tài)配置要求，并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)具有抗干擾了帶有手臂的“Ballbot”機(jī)器人，提出了一種利用動(dòng)態(tài)約束方程來法，當(dāng)軌跡被跟蹤時(shí)，實(shí)現(xiàn)位移誤差小，得到最優(yōu)位移跟蹤�！癇allbot”，其他國(guó)家也相繼研發(fā)了其他相似的單球移動(dòng)機(jī)器人umagai 等人開始研究單球移動(dòng)機(jī)器人，先后發(fā)明了“BallIP1”、“-W”[15]，如圖 1.3-1.5 所示。在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上，這三個(gè)機(jī)器人與“Ba兩者提出了一種由三個(gè)全向輪驅(qū)動(dòng)球體運(yùn)動(dòng)的新型驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，后者滾輪的裝置。與“Ballbot”相比，這三類機(jī)器人都解決了“Ballb問題。在控制上，提出了雙 PD 穩(wěn)定控制方法，具有一定的攜帶負(fù)

【參考文獻(xiàn)】

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3 余躍慶;梁浩;張卓;;平面4自由度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的位置和姿態(tài)控制[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2015年13期

4 王田苗;陶永;;我國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2014年09期

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6 賈中華;張少昆;;球上平衡移動(dòng)機(jī)器人線性二次型最優(yōu)控制[J];北京信息科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2013年06期

7 夏凌楠;張波;王營(yíng)冠;魏建明;;基于慣性傳感器和視覺里程計(jì)的機(jī)器人定位[J];儀器儀表學(xué)報(bào);2013年01期

8 李莉莉;邵誠(chéng);;一類Lipschitz非線性切換系統(tǒng)基于觀測(cè)器的H_∞輸出跟蹤控制[J];控制與決策;2012年02期

9 孫寧;方勇純;;一類欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方法綜述[J];智能系統(tǒng)學(xué)報(bào);2011年03期

10 郭一峰;徐趙東;涂青;冉成崧;;基于遺傳算法的LQR算法中權(quán)矩陣的優(yōu)化分析[J];振動(dòng)與沖擊;2010年11期

本文編號(hào)：2810853