基于自抗扰控制的双轮自平衡机器人

【摘要】： 双轮自平衡机器人是一个高度不稳定的轮式移动机器人,具有不稳定、多变量、强耦合、非线性、参数不确定性等特性,具有很强的理论研究价值和广泛的市场应用前景。 自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control, ADRC)是一种发扬了PID控制的精髓,同时借助于现代控制论中观测器概念,构造出一种算法简单、适应性广、能自动补偿控制系统内外扰动的新型控制方法。它不依赖于控制对象模型,具有较强的适应性、鲁棒性和可操作性,广泛应用于工业控制领域。 本研究将ADRC引入到双轮自平衡机器人中,通过已建立机器人模型,得到基于ADRC的机器人控制算法,并利用仿真和试验,验证算法的有效性。论文具体描述如下: 1)对已建立双轮自平衡机器人实体进行了运动学和动力学分析,建立系统的数学模型,得到了相应的状态空间方程。 2)对已得到的系统空间状态模型,进行可控性分析,根据极点配置设计了反馈控制系统;依据是否对系统变量分别进行解耦控制,设计了单ADRC控制器和双ADRC控制器两种控制系统;建立了相应的simulink模型,进行了干扰和设定值变化等各种仿真,对比仿真效果。结果表明:对系统进行解耦控制的双ADRC控制器明显优于其它的两种控制器。 3)设计了以mega16为核心的控制系统硬件电路,并编写了相应的软件,实现了传感器信号采集与处理、电机驱动、控制算法等功能。