收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

独轮自平衡机器人建模与控制研究

王启源  
【摘要】:人或其他智慧生物需要经过一定的训练和学习才能骑行独轮自行车。独轮自平衡机器人是模拟人类骑行独轮车的行为构建的一种自平衡机器人系统,属于原理性仿生机器人。与一般移动机器人相比,独轮自平衡机器人与地面接触点数目降到最小,是一种典型的非完整、非线性、静不平衡系统。其建模和运动控制问题是控制科学及机器人学研究的重要问题。 本文设计了具有竖直飞轮和下行走轮结构的独轮自平衡机器人系统,建立了相应的运动学和动力学模型,并在系统特性分析的基础上,进行了运动平衡控制问题的研究,取得了以下主要研究成果: 1、独轮自平衡机器人系统 本文设计了一种独轮自平衡机器人系统,其最重要的结构特征是竖直惯性飞轮和下行走轮相互配合:竖直惯性飞轮调节横滚自由度平衡;行走轮调节俯仰自由度平衡。此结构模拟了人类骑行独轮车的特征,动力学特性较为复杂,其建模与控制问题具有一定难度。所设计独轮自平衡机器人的电气系统为分层递阶结构:组织级以嵌入式PC为核心,辅以各种人机接口,负责监测、获取信息,决策和下达运动控制指令;协调级以DSP为核心,辅以状态感知传感器,主要负责运动平衡控制;执行级为电机伺服系统,负责控制双轮电机完成指定运动。整个控制结构构成一种仿生的姿态感觉运动系统。 2、独轮自平衡机器人的动力学建模与分析 本文运用拉格朗日法建立了独轮自平衡机器人的动力学模型,并对其进行了实验验证。实验结果符合物理事实,验证了所建模型正确;其次,分析了独轮自平衡机器人的系统特性,证明独轮自平衡机器人在直立平衡点不稳定和局部可控;再次,分析了独轮自平衡机器人各设计参数:质量、重心高度、飞轮惯量等,对运动平衡控制系统的影响规律;最后,利用虚拟样机技术建立了独轮自平衡机器人的三维模型,并与数学模型相互验证正确性。本文建立的模型及相关分析为独轮自平衡机器人的设计和控制提供了一定理论依据。 3、基于非线性PD控制方法的独轮自平衡机器人运动平衡控制 本文针对独轮自平衡机器人的运动平衡控制问题,提出一种基于非线性PD的三环控制方法。该方法包括电机伺服驱动内环、姿态平衡控制中环和运动位移控制外环,其中,电机伺服驱动内环通过两个PID控制器分别实现上、下电机转矩伺服,控制器输入为姿态平衡控制器的输出转矩;姿态平衡控制中环为一种非线性PD控制器(PDNLB),控制机器人稳定平衡,PDNLB采用tan(θ)作为非线性比为非线性微分环节,PDNLB输入为由机器人运动控制器提供的期望姿态;外环为直线位移PD控制器,输入为期望的直线位移,输出经耦合转化为期望俯仰和横滚倾角。通过仿真实验对比分析了PDNLB与线性PD姿态平衡控制器的动态性能和鲁棒性,结果表明在相同参数下,PDNLB的动态性能指标、抗扰动和对象参数变化的适应能力均优于线性PD和LQR控制器。进行了独轮自平衡机器人静止平衡和运动位移控制的仿真以及物理系统实验,实验结果验证了本文提出的控制方法是一种解决独轮自平衡机器人运动平衡控制问题的有效方法。 4、基于非线性动态逆控制方法的独轮自平衡机器人平衡控制 针对独轮自平衡机器人的非线性控制问题,根据多变量非线性控制的理论—逆系统方法,设计了独轮自平衡机器人伪动态逆控制器,给出了具体实现方法。针对独轮自平衡机器人系统为最小相位系统,逆系统不存在的问题,通过时标分离的方法构建系统的伪逆,构成独轮自平衡机器人伪动态逆控制系统。针对动态逆系统精确模型难于获得、动态逆方法设计控制系统不便、伪动态逆控制性能难于保障的问题,利用神经网络具有逼近任意连续的n输入m输出映射的能力,提出基于神经网络的独轮自平衡机器人动态逆控制方法。该方法利用BP神经网络逼近系统的动态逆模型,构成参考模型神经网络动态逆控制系统。实验结果表明:该方案能够利用BP神经网络逼近系统的逆系统,可有效解决独轮自平衡机器人系统建模不精确、逆系统精确解析解难于求得等问题,并实现机器人的姿态平衡控制;但是该方法用于独轮自平衡机器人控制时,超调量、调节时间等控制性能并不理想,并且鲁棒性较差。 5、基于迭代学习控制方法的独轮自平衡机器人运动平衡控制 本文针对独轮自平衡机器人的姿态平衡控制问题,提出了基于神经网络反演方法的迭代学习控制方法。迭代学习控制方法,是在线性控制的基础上引入基于跟踪误差的指数型能量函数作为评价机制,通过迭代学习不断修正控制量以克服机器人系统的未知参数和干扰带来的不确定性,类似于人类的条件反射的学习过程。而神经网络反演控制是通过RBF神经网络进行反演迭代学习。并从理论上证明其跟踪误差的渐进收敛性。这种方案既具有线性控制系统思想简单、方法明确的优点,又能够利用在线学习过程动态补偿系统不确定性、非线性、耦合性、建模误差等因素对控制器的影响。计算机仿真实验表明,所提出的独轮自平衡机器人神经网络反演迭代学习控制方法在一定范围内是有效的。通过仿真实验对比分析了神经网络反演迭代学习控制、非线性PD三闭环控制、层叠结构伪非线性动态逆控制、神经网络动态逆控制与线性姿态平衡控制的动态性能和鲁棒性,结果表明在相同对象参数下,神经网络反演迭代学习控制的动态性能指和鲁棒性较好,非线性PD控制和非线性动态逆控制次之,线性控制方法和神经网络动态逆控制性能较差。 课题获得国家863计划项目(2007AA04Z226);国家自然科学基金项目(61075110);北京市教委重点项目(KZ200810005002);北京市自然科学基金项目(4102011)的资助。取得的科研成果,对于优化独轮自平衡机器人的系统结构,分析独轮自平衡机器人的运动规律和内在特性,研究自平衡机器人的运动平衡控制问题具有积极意义和一定的参考价值。课题研制的样机已获得多项国家专利,在机器人技术和控制科学的研究、教学领域,以及服务机器人、娱乐机器人领域有一定的应用价值。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 廖广奎;飞机清洗机器人“SKYWASH”[J];机器人技术与应用;1995年02期
2 姜方荣;解决机器人臂振的一种方法[J];计算机工程与设计;1988年06期
3 鲁通;梁萍;邓双成;曹莹瑜;幺娆;;影像引导经皮穿刺治疗机器人系统:经皮穿刺过程中位置和姿态的运动解耦[J];中国组织工程研究与临床康复;2009年48期
4 胡海鹰,李家炜,王滨,王捷,刘宏;虚拟现实技术在机器人臂/灵巧手遥操作中的应用[J];系统仿真学报;2004年10期
5 唐建中,杨公仆,阳含和;机器人动态过程的模型跟随自适应控制[J];西安交通大学学报;1988年05期
6 谢照林;;关节型机器人拉格朗日方程的物理解释[J];太原机械学院学报;1988年04期
7 田富洋;吴洪涛;赵大旭;程世利;孙宏丽;;在轨服务双臂空间机器人的参数辨识[J];华南理工大学学报(自然科学版);2010年02期
8 谢光辉;张进春;;一种仿人机器人臂的重力补偿研究[J];机械传动;2010年07期
9 王从庆,赵长军;一种基于C-T空间数字势场的机器人避碰规划方法[J];应用科学学报;2005年04期
10 王坤东;颜国正;鄢波;;基于被动柔顺性的机器人位置/力控制[J];中国机械工程;2006年07期
11 李长春;刘广志;;袋装物料装卸机器人臂长的优化设计[J];济南大学学报(自然科学版);2007年03期
12 魏宏玲;;机器人臂的多项式PD型学习控制方法[J];制造业自动化;2007年05期
13 邓建一,张宗明;机器人轨迹规划的一个新方法[J];上海交通大学学报;1991年03期
14 张福学;机器人传感器(下)[J];测控技术;1987年04期
15 朱广超,游松,刘毅敏,王田苗,张玉茹,张启先;机器人臂/手集成系统的图形仿真及其在遥控操作中的应用[J];系统仿真学报;2000年06期
16 钱瑞明;郑文纬;;三指机器人手对物体的抓取[J];东南大学学报(自然科学版);1992年01期
17 谢光辉;梁锡昌;桥本稔;张霞;李伟;;基于同步控制的人和机器人握手动力学仿真[J];机器人;2008年05期
18 傅佩琛;易科军;;机器人控制基础(四) 第四讲 机器人控制[J];自动化技术与应用;1988年02期
19 何广平,陆震;柔性冗余度机器人振动抑制的一种方法[J];机器人;1997年03期
20 潘水苗;蒋静坪;;两机器人的分级协调变结构控制[J];控制与决策;1992年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张征;李杞仪;谢存禧;;机器人臂示教仿真中运动干涉的交互判别[A];第十一届全国机构学年会暨首届青年机构学研讨会论文集[C];1998年
2 胡海鹰;李家炜;刘宏;;机器人图形预测仿真系统及其在遥操作中的应用[A];'2002系统仿真技术及其应用学术论文集(第四卷)[C];2002年
3 谢松钿;苏国岚;萧胜文;林冠良;;模组化机器人系统之设计[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
4 徐琰;;分布式控制系统在排爆机器人中的应用[A];2010中国消防协会科学技术年会论文集[C];2010年
5 黄坤;曹利;曾孔庚;田心宽;耿国庆;;机器人在LF炉测温取样系统上的成功应用[A];中国计量协会冶金分会2011年会论文集[C];2011年
6 陈卫东;唐得志;王洪瑞;;基于模糊变结构的机器人自适应神经网络控制[A];'2003系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2003年
7 鲍平安;蒋平;陈辉堂;王月娟;;一种新的机器人动力学模型参数辨识法——递推学习方法[A];1995年中国控制会议论文集(上)[C];1995年
8 盛璐;钱伟庆;孙忠全;张豪杰;宋建达;;达芬奇机器人腹腔镜下肾部分切除的动物实验研究[A];第十六届全国泌尿外科学术会议论文集[C];2009年
9 李丽霞;赵悦;宋烽;;Da Vinci S机器人系统对手术护理工作的挑战[A];全国第十一届手术室护理学术交流暨专题讲座会议论文汇编(上)[C];2007年
10 黄壮士;;机器人手术在微创食管外科的应用现状[A];中国第九届全国食管癌学术会议论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王启源;独轮自平衡机器人建模与控制研究[D];北京工业大学;2011年
2 张廷羽;高压线巡检机器人的研究[D];上海大学;2009年
3 吴健荣;蒸汽发生器检修机器人样机研制及其关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 谢光辉;机器人与人身体交流的同步控制策略[D];重庆大学;2009年
5 肖金壮;机器人故障探测诊断与容错控制及实验研究[D];燕山大学;2010年
6 张晓超;下肢康复训练机器人关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
7 任志斌;高压输电线巡检机器人控制系统的研究与实现[D];上海大学;2010年
8 张克敏;基于虚拟现实的机器人仿真研究[D];重庆大学;2012年
9 蒋再男;基于虚拟现实与局部自主的空间机器人遥操作技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 胡海鹰;HIT/DLR机器人灵巧手遥操作系统的研究[D];哈尔滨工业大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 单金凤;石材立体工艺制品雕刻机器人的设计与研究[D];山东大学;2011年
2 何磊;带有力反馈的掰手腕机器人的研究[D];中国科学技术大学;2010年
3 郭晓君;微创手术机器人虚拟安全屏障在线建模与控制[D];河南工业大学;2010年
4 蒋明民;烟箱开箱机器人的研究[D];昆明理工大学;2009年
5 刘春利;打磨机器人主车设计中的若干关键技术研究[D];东北大学;2008年
6 徐刚;轮履复合式煤矿井下环境探测机器人设计与分析[D];太原理工大学;2011年
7 刘廷顺;相贯线全位置焊接机器人构型及结构的最优化[D];北京工业大学;2011年
8 詹峰;井下煤仓清仓机器人机械臂结构设计与新型清仓技术研究[D];山东科技大学;2010年
9 李柳林;机器人样机设计制造及振动测试[D];广西大学;2012年
10 徐科明;六自由度喷涂机器人关键参数设计与分析[D];华中科技大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者 姜靖;我极地科考低空飞行机器人系统研制获突破[N];科技日报;2010年
2 记者 张培发 曹斯 通讯员 郭业敏 邹莹;“广东造”智能手术机器人有望三年内进入临床试验[N];南方日报;2011年
3 薛严;韩选定10个新概念机器人研发项目[N];科技日报;2011年
4 记者 桂运安;“机器人世界杯”科大摘金夺银[N];安徽日报;2011年
5 本报记者 李响;唐山抓住机器人机会[N];计算机世界;2011年
6 裴利云 田秋月 赵志远;高新区崛起机器人产业[N];唐山劳动日报;2011年
7 邸力 陈建旭;唐山高新区机器人产业发展迅猛[N];中国高新技术产业导报;2011年
8 邸力 陈建旭;抢占战略性新兴产业的前沿阵地[N];唐山劳动日报;2011年
9 柳莺;ODIM首次售出锚作机器人系统[N];中国船舶报;2008年
10 程刚;机器人“瑞德先生”问世[N];科技日报;2007年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978