两轮自平衡机器人控制系统设计及避障的实现

摘要

两轮自平衡机器人属于轮式机器人，具有自主移动的思想，特殊的机械结构使具有其体积小、结构简单、运动灵活的特点，适于在狭小和危险的空间内工作，在未来作为服务机器人或交通运输工具等许多领域有着广泛的应用前景；同时由于其不稳定的动态特性，两轮自平衡机器人成为验证各种控制算法的理想平台，具有重要的理论意义。两轮自平衡机器人属于非线性、时变、欠驱动、非完整约束系统，控制问题是其研究的关键。
　　本文针对自行设计的两轮自平衡机器人Opyanbot建立了动力学模型，根据机器人的实时性、精确度、可靠度等要求，选择了合适的硬件并设计了系统硬件电路。应用最优控制及两轮差动等控制方法设计了分别设计了平衡控制器、前进控制器和转向控制器，提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。为了提高两轮自平衡机器人的控制效果，两轮自平衡机器人中应用了基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100，两个驱动单元分别精确控制左右轮电机，并结合上位机实时控制机器人的运动状态，提高了控制精度、可靠度以及集成度。红外、超声传感器结合的避障策略，使机器人能够在平衡运动的基础上成功避障行进。在试验中先利用Matlab仿真确定并验证控制器中各参数，再在Opyanbot上验证控制策略，调整实际控制参数，并最终得到了很好的控制效果。

目录

两轮自平衡机器人控制系统设计及避障的实现

CONTROL SYSTEM DESIGN OF TWO WHEELS SELF-BANLANCE ROBOT AND BOSTACLE AVOIDING

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 两轮自平衡机器人的动力学模型

2.1 引言

2.2 系统建模

2.3 本章小结

第3章 控制系统的硬件设计

3.1 引言

3.2 硬件组成

3.3 硬件结构设计

3.4 本章小结

第4章 控制器的设计

4.1 引言

4.2 最优控制

4.3 控制器的设计

4.4 机器人运动的精确控制

4.5 本章小结

第5章 避障系统

5.1 引言

5.2 避障系统

5.3 避障策略

5.4 本章小结

第6章 实验研究

6.1 引言

6.2 系统配置

6.3 Matlab仿真试验

6.4 Opyanbot机器人试验

6.5 本章小结

结论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

攻读硕士期间发表论文

致谢