多自由度两轮自平衡机器人技术研究

【摘要】：两轮自平衡机器人是一种近些年发展起来的新式移动机器人，具有重量轻、结构紧凑、灵活机动、零转弯半径等优点，非常适合在狭小和拥挤的环境中使用，同时它可以作为一种便捷的运输和载人工具，有着广泛的应用前景。此外，两轮机器人是一种复杂的欠驱动非线性系统，深入开展两轮机器人的多种控制方法的研究，还可以为某些航空器或航天器、精密仪器和机器人等领域的非线性系统的控制提供技术方法指导，具有重要的学术价值。 当将传统两轮机器人作为代步工具时，使用者是站立驾驶的，长时间的骑行容易使驾驶者产生疲劳。另一方面，在加减速和上下坡时，传统两轮机器人本体无法保持始终直立，这将导致乘坐者感觉不舒适和不安全。当使用该平台运输液体或其他要求始终保持直立的精密设备时，还容易造成事故。此外，当机器人进行高速转向时，由于离心力的作用，机器人将面临倾覆的危险。针对传统两轮机器人的这些不足，本文提出了一种多自由度两轮机器人系统，围绕提高两轮自平衡机器人的稳定性、机动性和安全性来开展研究。本文的主要研究内容和取得的成果如下： 1）针对主动配置重心位置的要求，研制了一种多自由度两轮机器人，并详细给出了机器人的机械以及控制系统的构建方法和实现途径。所研制的机器人具有重心前后平移和左右摆动自由度，通过动态调整机器人重心的位置，有效地改善了传统两轮机器人的性能。 2）针对准确测量机器人姿态的要求，开展了机器人传感器的信号处理和融合方法的研究。在详细分析了传感器安装位置和测量方法对测量结果的影响规律的基础上，提出了一种针对测量结果进行补偿的方法，并采用卡尔曼滤波方法对多传感器信息进行了有效融合，从而以低代价手段实现了准确的姿态测量。 3）对多自由度两轮机器人的运动规律展开了深入研究，建立了机器人的运动学和动力学模型，其中，动力学模型解耦为直行动力学和转向动力学。在适当条件下对直行动力学进行处理，使机器人复杂的动力学得到了简化，极大地方便了机器人控制器的设计。此外，在所获得的机器人动力学模型的基础上，对机器人的动力学特性进行了研究，得到了机器人运动稳态的规律。 4）对机器人传动机构的摩擦模型参数辨识问题展开了研究，建立了准确的传动机构的摩擦模型，并基于滑模控制方法，设计了带有摩擦补偿的鲁棒平衡控制器。然后，提出了机器人的直行和转向控制策略：利用降阶后的直行动力学模型，给出了机器人直行控制策略，即在机器人平衡控制的基础上，通过动态控制滑块来控制机器人行进；转向控制方面，设计了机器人的转向控制器，并通过对摇摆角度的控制，实现了对机器人转向的防倾覆控制，提高了机器人转向时的稳定性。采用ADAMS与MATLAB的动力仿真实验，验证了控制方法的有效性。 5）对多自由两轮机器人平台进行了物理实验研究。包括平衡控制实验、平地行走实验、坡面行走实验和转向行走实验，实验结果全面验证了机器人的平衡性能、移动行走性能、爬坡性能、机动性能，以及附加自由度对机器人性能的改善效果，同时也证明了动力学模型以及控制方法的有效性。