二轮自平衡机器人姿态控制系统仿真研究.pdf

《二轮自平衡机器人姿态控制系统仿真研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第33卷第12期计算机仿真2016年12月文章编号：1006—9348(2016)12—0323—06二轮自平衡机器人姿态控制系统仿真研究林永栋，孙涛(上海大学机电工程与自动化学院，上海200072)摘要：在机器人姿态控制的优化中，二轮自平衡机器人是强非线性的非稳系统，受到扰动后需要有效的姿态矫正算法使其在短时间内、小超调量地恢复平衡，使机器人在受扰动工况下稳定运行。为获得理想的控制器，首先分析机器人平台，对机构简化并进行动力学分析获得状态方程，利用Maple设计整定控制器并在MapleSim中进行动力学仿真，验证PID及L

2、QR算法的控制效果。实际机器人平台中采用PID控制策略，辅助以电流环及速度环控制，得到角度姿态随时间变化的曲线。在实际实验中能够获得与仿真相似的运动曲线，并对二轮自平衡机器人实现稳定控制。仿真结果表明，PID及LQR算法能够很好满足平衡机器人需求，且有一定抗干扰能力，为机器人控制系统优化提供了科学依据。关键词：直立控制；自平衡；线性控制；仿真中图分类号：TP29；TP391．9文献标识码：BTheSystemControlSimulationResearchonAttitudeforTwoWheelsSelf—-Balanc

3、ingRobotLINYong—dong，SUNTao(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation，ShanghaiUniversity，Shanghai200072，China)ABSTRACT：Twowheelsself—balancingrobotisastrongnonlinearunstablesystem．Thus，afterdisturbances，thereisanurgentneedforaneffectiveposturecorrectionalgorith

4、mtohelpitrestorebalanceandoperatestablyunderanyconditionsinashorttimewithsmallovershoot．Firstly，weanalyzedroboticplatform，obtainedthetransferfune-tionanditsstateequationafterdynamicanalysisofsimplifiedmechanism．Secondly，wedesignedatuningcontrollerusingMapleandsimul

5、ateditunderMapleSim，whichverifiedtheeffectivenessofPIDandLQRcontrolalgorithm．APIDcontrolstrategywasadoptedinactualrobotplatformsassistedwithcurrentandspeedloopcontr01．Atlast，weobtainedthecurveofpostureanglechangingwithoperatingtime．Afterrealizingstablecontroloftwow

6、heelsself—balancingrobot，wealsoobtainedthesimilarmotioncurve．TheexperimentalresultsshowthatthePIDandLQRal-gorithmhaveacertainanti——interferenceabilityandCanmeettheneedsofbalancingrobot+KEYWORDS：Verticalcontrol；Self—balancing；Linearcontrol；Simulation1引言二轮自平衡机器人，具有极好

7、的灵活性以及优良的控制性能[1]。在大转角、小半径的场所，能够很好地适应各种地形以及其它复杂条件场合，可以在军事、日常通勤等领域中使用心]，作为设备搭载移动平台。作为典型倒立摆系统，竖直倒立姿态是其平衡状态，当机器人受到扰动后，由于回复力(即自身重力)与平衡位置相反，使得受到扰动后的系统无法通过自身受力回到平衡位置，所以倒立摆系统是高阶次、多变量、强耦合及不稳定的非收稿日期：2016—02—05修回日期：2016一02—17线性系统口]，所以对控制器设计提出了较大的挑战。倒立摆系统的研究可以追溯到20世纪60年代”o，而二轮

8、自平衡机器人最早则是由日本电气通信大学的山藤一雄教授提出，并于1987年申请了“平行双轮机器人”的专利"1，在此基础上国外如瑞士联邦工业大学设计了机器人Joe∞。，国内如中国科学技术大学张培仁等人设计了FreeMover¨1等，都对两轮自平衡机器人有了较为深入的研究。但以上研究都建立在电机