本文關(guān)鍵詞：獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的設(shè)計與控制研究

  更多相關(guān)文章： 獨(dú)輪自平衡機(jī)器人 系統(tǒng)建模 姿態(tài)控制 Lagrange方程 有限時間控制策略

【摘要】：近年來,獨(dú)輪自平衡機(jī)器人吸引了國內(nèi)外越來越多研究學(xué)者的目光。獨(dú)輪自平衡機(jī)器人是一個非線性、多耦合、非完整性約束的欠驅(qū)動系統(tǒng),針對該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立與控制器設(shè)計,向來是機(jī)器人學(xué)以及自動控制領(lǐng)域的難題。本文搭建了獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的物理實(shí)驗(yàn)平臺,建立了相應(yīng)的系統(tǒng)模型,并就機(jī)器人前后、左右方向上的姿態(tài)控制問題展開了研究,主要的研究內(nèi)容如下:(1)實(shí)物平臺搭建本文中,我們研究并設(shè)計了一臺采用慣性飛輪結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人,主要工作包括以下三個部分:一是機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)確保系統(tǒng)整體質(zhì)量分布合理,以滿足機(jī)器人自平衡控制的基本條件;二是機(jī)器人的硬件電路設(shè)計,具體是指主控制器、供電模塊、電機(jī)驅(qū)動器、角度傳感器、藍(lán)牙串口通信以及PCB設(shè)計等;三是機(jī)器人的系統(tǒng)軟件設(shè)計,指的是下位機(jī)端機(jī)器人主控程序設(shè)計以及用于調(diào)整控制參數(shù)的上位機(jī)軟件設(shè)計。(2)系統(tǒng)模型建立本文首先分析了獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的動態(tài)平衡原理:在前后方向上,機(jī)器人通過行走輪的加減速運(yùn)動來調(diào)節(jié)縱向平衡。在左右方向上,機(jī)器人則由慣性飛輪加速旋轉(zhuǎn)形成反向力矩來補(bǔ)償側(cè)向傾斜。因此,獨(dú)輪自平衡機(jī)器人可以抽象成左右方向上的飛輪倒立擺以及前后方向上的一級直線倒立擺。在此基礎(chǔ)上,我們運(yùn)用Lagrange方程分別建立機(jī)器人在縱向和側(cè)向上的系統(tǒng)模型。(3)有限時間姿態(tài)控制器設(shè)計本文就獨(dú)輪自平衡機(jī)器人前后（俯仰軸）、左右（橫滾軸）方向上的姿態(tài)控制問題,提出了一種連續(xù)的有限時間控制策略。目前,對于獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的姿態(tài)控制,國內(nèi)外的研究學(xué)者在控制器設(shè)計方面大多傾向于應(yīng)用滑�？刂评碚摗５怯捎诨？刂破鞔嬖谇袚Q函數(shù),是非連續(xù)的,在實(shí)際應(yīng)用中,會不可避免出現(xiàn)“抖振”問題。因此,我們分別設(shè)計了機(jī)器人前后、左右方向上連續(xù)的有限時間控制器,并通過理論推導(dǎo),證明了機(jī)器人系統(tǒng)能在有限時間內(nèi)收斂。同時,仿真結(jié)果進(jìn)行對比表明,連續(xù)的有限時間控制器相對于滑�？刂破�,能有效的避免“抖振”問題。
【關(guān)鍵詞】：獨(dú)輪自平衡機(jī)器人 系統(tǒng)建模 姿態(tài)控制 Lagrange方程 有限時間控制策略
【學(xué)位授予單位】：杭州電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 引言11-12
• 1.2 獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.1 各種類型的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人12-14
• 1.2.2 采用慣性飛輪結(jié)構(gòu)的獨(dú)輪自平衡機(jī)器人14-18
• 1.3 研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排18-20
• 第二章 預(yù)備知識20-24
• 2.1 引言20
• 2.2 系統(tǒng)建模方法20-21
• 2.2.1 牛頓力學(xué)法20
• 2.2.2 牛頓-歐拉公式20-21
• 2.2.3 拉格朗日方程法21
• 2.3 滑�？刂评碚�21-22
• 2.4 有限時間控制理論22-23
• 2.4.1 有限時間控制定義22
• 2.4.2 相關(guān)引理22-23
• 2.5 本章小結(jié)23-24
• 第三章 獨(dú)輪自平衡機(jī)器人的軟硬件設(shè)計24-39
• 3.1 引言24
• 3.2 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計24-26
• 3.3 機(jī)器人的硬件電路設(shè)計26-32
• 3.3.1 硬件總體設(shè)計方案26
• 3.3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)26-27
• 3.3.3 角度傳感器27-28
• 3.3.4 電源模塊28
• 3.3.5 藍(lán)牙模塊28-29
• 3.3.6 電機(jī)驅(qū)動模塊29-31
• 3.3.7 PCB設(shè)計31-32
• 3.4 機(jī)器人系統(tǒng)軟件設(shè)計32-36
• 3.4.1 軟件總體設(shè)計方案32
• 3.4.2 下位機(jī)軟件設(shè)計32-34
• 3.4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計34-35
• 3.4.4 通訊協(xié)議35-36
• 3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析36-38
• 3.6 本章小結(jié)38-39
• 第四章 系統(tǒng)建模39-49
• 4.1 引言39
• 4.2 機(jī)器人動態(tài)平衡原理39-40
• 4.3 動力學(xué)模型40-48
• 4.3.1 拉格朗日方程40-41
• 4.3.2 系統(tǒng)假設(shè)與變量說明41-42
• 4.3.3 參考坐標(biāo)系42
• 4.3.4 機(jī)器人左右方向子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型42-45
• 4.3.5 機(jī)器人前后方向子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型45-48
• 4.4 本章小結(jié)48-49
• 第五章 有限時間控制器設(shè)計49-59
• 5.1 引言49
• 5.2 滑�？刂破髟O(shè)計49-50
• 5.3 有限時間控制器設(shè)計50-54
• 5.3.1 機(jī)器人左右方向子系統(tǒng)的有限時間控制策略50-54
• 5.3.2 機(jī)器人前后方向子系統(tǒng)的有限時間控制策略54
• 5.4 仿真實(shí)驗(yàn)54-58
• 5.4.1 參數(shù)說明54-55
• 5.4.2 機(jī)器人左右方向子系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)55-57
• 5.4.3 機(jī)器人前后方向子系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)57-58
• 5.5 本章小結(jié)58-59
• 第六章 總結(jié)與展望59-61
• 6.1 本文總結(jié)59-60
• 6.2 研究展望60-61
• 致謝61-62
• 參考文獻(xiàn)62-66
• 附錄 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參加的科研項(xiàng)目66

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;世界機(jī)器人最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2000年01期

2 ;警衛(wèi)和保潔兩用機(jī)器人[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2000年03期

3 ;案例分析之四 機(jī)器人碼垛單元[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2000年04期

4 李成桐;對中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的思考(之二) 未來之路[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2000年05期

5 賈培發(fā),王全福;團(tuán)結(jié)奮斗努力實(shí)現(xiàn)中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2000年06期

6 李開生,張慧慧,費(fèi)仁元,宗光華;國外服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展動態(tài)和前景[J];制造業(yè)自動化;2000年06期

7 淑芳;機(jī)器人種菜[J];湖南農(nóng)業(yè);2000年09期

8 長路;機(jī)器人技術(shù)在發(fā)展[J];世界制造技術(shù)與裝備市場;2001年01期

9 賈一;機(jī)器人外科手術(shù)的必要技術(shù)條件[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2002年04期

10 董瑞翔;人間協(xié)調(diào)共存型機(jī)器人[J];機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用;2002年05期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 胡春華;范勇;朱紀(jì)洪;孫增圻;;空中機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[A];2005年中國智能自動化會議論文集[C];2005年

2 陳衛(wèi)東;;服務(wù)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展及微特電機(jī)在其中的應(yīng)用[A];第十屆中國小電機(jī)技術(shù)研討會論文集[C];2005年

3 肖玉林;侍才洪;陳煒;李浩;張西正;;救援機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(綜述)[A];天津市生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會第三十四屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2014年

4 鄭亞青;吳建坡;;岸邊集裝箱宏-微起重機(jī)器人的機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計及運(yùn)動仿真[A];2009海峽兩岸機(jī)械科技論壇論文集[C];2009年

5 王靜;邊繼東;張大慧;林峰華;張宏;;管道定量采樣機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計[A];2009全國虛擬儀器大會論文集（二）[C];2009年

6 黃海明;楊雷;宋躍;賴思沅;;智能保安巡邏機(jī)器人[A];2009全國虛擬儀器大會論文集（二）[C];2009年

7 王明輝;馬書根;李斌;;獨(dú)立操作型可重構(gòu)機(jī)器人群體的動態(tài)層次體系結(jié)構(gòu)研究[A];第八屆全國信息獲取與處理學(xué)術(shù)會議論文集[C];2010年

8 譚金林;劉明英;梁建民;;機(jī)器人硬件電路設(shè)計[A];1995年中國智能自動化學(xué)術(shù)會議暨智能自動化專業(yè)委員會成立大會論文集（下冊）[C];1995年

9 許家中;孔祥冰;尤波;李長峰;禹鑫q，

本文編號：962427