基于陀螺进动效应的独轮机器人的研制

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1、硕士学位论文基于陀螺进动效应的独轮机器人的研制THEDEVELOPMENTOFAUNICYCLEROBOTBASEDONTHEEFFECTOFGYROSCOPICPRECESSION于法传哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.6学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工程硕士学位论文基于陀螺进动效应的独轮机器人的研制硕士研究生：于法传导师：金弘哲副教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242.6U.D.C:621DissertationfortheMast

2、erDegreeinEngineeringTHEDEVELOPMENTOFAUNICYCLEROBOTBASEDONTHEEFFECTOFGYROSCOPICPRECESSIONCandidate：YuFachuanSupervisor：AssociateProf.JinHongzheAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferr

3、ing-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要独轮机器人是一种形式特殊的轮式移动机器人，由于独轮机器人与地面之间为单点接触，自由度较多，属于本质不稳定系统。独轮机器人系统具有非线性、多变量、强耦合的特点，控制难度大，如何能够有效的实现独轮机器人的平衡控制是一个极具挑战性的课题。目前，传统的独轮机器人侧平衡控制在结构上多采用惯性轮结构，包括水平惯性轮和垂直惯性轮结构。惯性轮的另一重要应用领域是航天器的姿态控制，尤其是小卫星的姿态控制。由于惯性轮的输出力矩有限，在大型航天器，如空间站的姿态控制中，多采用控制力矩陀螺作为姿态

4、控制系统的执行机构。与惯性轮相比，控制力矩陀螺具有输出力矩大、响应速度快的优点。受此启发，本文针对基于惯性轮结构的独轮机器人输出控制力矩小、平衡能力有限的问题，研制了一种新型结构的基于陀螺进动效应的独轮机器人。该独轮机器人利用一对剪式控制力矩陀螺产生的陀螺力矩实现侧平衡高效控制。剪式陀螺消除了单陀螺结构中力矩方向变化带来的前后方向的干扰。在控制方面，对独轮机器人控制目前多采用解耦控制方法，将独轮机器人动力学模型在平衡点附近解耦为前后动力学模型和左右动力学模型，针对这两个模型设计两个分离的状态反馈控制器。该方法忽略了独轮机器人动力学模型之间由于耦合作用带来的相互干扰，抗扰动性能有待提升。针对上

5、述控制问题，本文提出了一种基于离心力原理的补偿控制算法。该算法考虑了独轮机器人动力学中前后和左右方向之间的离心力项，用离心力矩和陀螺力矩共同补偿独轮机器人左右倾斜时的重力力矩，提高了独轮机器人侧平衡的鲁棒性。在ADAMS环境下，对基于离心力原理的补偿控制算法进行仿真，验证了该控制算法的抗扰动性。通过物理样机平衡和抗干扰实验，验证了陀螺力矩用于独轮机器人平衡控制中的高效性。关键词：独轮机器人；陀螺进动效应；控制力矩陀螺；离心力补偿；平衡控制I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractUnicyclerobotisaspecialkindofwheeledmobilerobot.Theuni

6、cyclerobotisintrinsicallyunstablebecauseittouchesthegroundwithonlyonepoint.Thereishugedifficultyinthecontroloftheunicyclerobotduetoitscharacteristicofnonlinearity,multivariateanddynamiccouplingfeature.Thechallengingsubjectofsteadyandefficientbalancingcontrolofunicyclerobothasarousedgreatinterestwit

7、hinresearchersallovertheworld.Theinertialwheel,horizontallyorverticallymounted,iswidelyusedinthelateralbalancingcontrolofunicyclerobotatpresent.Theycanalsobeseenintheattitudecontrolsystemofspacecraft,especi