基于遗传算法的自平衡两轮机器人稳定控制研究

摘要

自平衡两轮机器人系统本身是一个非线性、强耦合并且具有多个变量的不稳定系统。因为本身的特殊性使得其具有独特的结构特点，不仅有较低的制造成本还有较小的体积。而且已经被广泛的应用在了服务、工业、商业等领域，同时也给控制理论的应用提出了更高的要求，使它成为检验各种控制理论和控制方法的理想平台。
　　自平衡两轮机器人是一个两轮同轴的系统，其依靠倾角传感器和陀螺仪来分别监测倾角和倾角变化速率以维持自身的平衡和稳定。本文首先对该系统的简要模型进行了一定的理论研究，同时对系统的能控性和能观性进行了分析，然后研究了系统的整体稳定性，并针对系统自身的不稳定特性和难控性，提出了对系统进行解耦的方法，并对解耦后的两个子系统进行实时控制。
　　本文首先用MATLAB软件对系统相应的数学模型进行建模，并对LQR控制算法进行了仿真研究，然后针对最优控制中权阵选择的问题，通过遗传算法对最优控制中的权阵参数进行必要的优化，并把优化后的参数用于系统控制器的设计。最后，对系统中所设计的控制器进行了一定的仿真，并完成了应用于固高公司生产的一款型号为GBOT1001的自平衡两轮机器人中的实验，通过对其进行实时的直行和转弯的运动控制的分析，验证设计控制器的可行性和实用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 自平衡两轮机器人的国外研究现状

1．2．2 自平衡两轮机器人国内研究现状

1．2．3 国内外文献研究分析

1．3 本文研究的主要内容

第2章 自平衡两轮机器人的系统模型及相关分析

2．1 自平衡两轮机器人基本原理

2．2 自平衡两轮机器人的系统构成

2．3 自平衡两轮机器人系统的动力学模型

2．3．1 动力学模型坐标系的建立

2．3．2 基于牛顿力学方程的系统的动力学模型

2．3．3 系统模型的线性化

2．4 自平衡机器人的系统分析

2．4．1 系统能控性和能观性分析

2．4．2 系统的稳定性分析

2．5 系统运动学分析

2．6 本章小结

第3章 遗传算法优化的线性二次最优控制

3．1 线性二次最优控制

3．1．1 理论分析

3．1．2 矩阵加权值的选取

3．2 最优状态加权阵优化

3．2．1 基本的遗传算法工具箱

3．2．2 加权阵的优化的理论分析

3．3 本章小结

第4章 基于遗传算法优化的控制器的设计

4．1 LQR参数范围选取

4．2 遗传算法优化权值

4．2．1 对子系统1进行权阵的优化与仿真

4．2．2 子系统2的权阵优化与仿真

4．3 基于遗传算法优化控制器的设计仿真研究

4．3．1 自启动控制仿真

4．3．2 偏航角的控制仿真

4．3．2 偏航角的控制仿真

4．3．3 位置的控制仿真

4．3．4 输出跟踪的控制仿真

4．4 物理系统仿真研究

4．4．1 直行运动控制

4．4．2 转弯运动控制

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢