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两轮自平衡机器人模糊PD控制方法研究

张万英  
【摘要】:两轮自平衡机器人是一个多变量、非线性、高阶次、强耦合、本质不稳定的运动控制系统,是检验各种控制理论和控制方法的典型装置,因而,对其研究有很大的理论和实践意义。由于其具有结构简单、运行稳定、能量利用率高、环境适应性强等优点,无论是在军事领域还是在民用领域都具有非常广阔的应用前景。本文以深圳固高公司生产的GBOT1001型两轮自平衡机器人为研究对象,主要研究了其稳定控制问题。 首先,对机器人的硬件结构做了简单介绍,包括DSP芯片处理器、倾角传感器、陀螺仪、光电编码器以及驱动单元等主要元部件,并分析了其自平衡控制原理。其次,采用牛顿力学的分析方法对两轮自平衡机器人进行数学建模,并采用基于泰勒级数的近似线性化方法对其线性化。对系统的稳定性、能控能观性进行分析。再次,采用LQR控制方法设计控制器,对两轮自平衡机器人进行控制。经过大量的仿真实验,确定了最优Q、R矩阵,从而得到最优反馈矩阵,并搭建Simulink仿真模型,进行仿真分析。然后,设计模糊PD控制器,以机器人的位移和速度为输入变量由模糊控制器控制,倾斜角度和角速度由PD控制。针对模糊控制器,提出了一种量化因子和比例因子的估算方法,并根据PID控制参数整定原则,对相关参数在线整定。搭建Simulink仿真模型,将模糊PD控制与LQR控制进行仿真比较。最后,设计了机器人实时控制系统平台,用于两轮自平衡机器人的实时控制,经过大量的参数调试,机器人系统得到了良好的控制,可稳定行走,达到了预期目标。 实验结果表明,模糊PD控制比LQR控制具有更好的动态性能,主要表现在模糊PD控制超调量小,振荡小,但是控制器反应相对较慢,调节时间长,而LQR控制器具有调节时间短、反应快的优点。


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