非同轴两轮自平衡移动机器人的平稳性研究

摘要

本文研究的非同轴两轮自平衡移动机器人是依靠一对陀螺转子同步进动产生的陀螺力矩来实现静止或动态平衡，其在运输货物或执行侦察的任务过程中，很容易受到外力的撞击倾倒而无法继续执行任务，因此，提高其运行平稳性具有重要的意义。机器人平稳性以其横滚角为评价指标，它与双陀螺平衡装置控制系统和转向控制系统等因素相关。机器人起摆或受到撞击时，通过陀螺进动产生陀螺力矩直接控制其横滚角，而进动角过大会使控制系统崩溃；机器人转向运动会产生离心力，使机器人向外翻转而可能倾倒。因此，本课题针对此款机器人运行平稳性较差的问题，以双陀螺平衡原理和转向运动力学分析为基础，从数学建模、控制算法设计与优化、控制系统设计等方面对机器人的平稳性展开研究。 首先，在理论上从双陀螺控制和转向控制的角度对机器人平稳性的影响进行分析，得到机器人陀螺进动角、转向角、运行速度与横滚角之间的关系。 其次，采用Euler-Lagrange方程和角动量守恒建立以机器人转向角、横滚角、运行速度、进动角的四自由度动力学模型。在此基础上设计基于进动回零补偿和离心力补偿的滑模控制算法，从机器人起摆自平衡、抗干扰、转向运动等三个方面对其平稳性在Matlab中进行仿真实验，证明了设计的控制算法能够保证机器人具有良好的平稳性；并设计了模糊算法对滑模算法的参数进行调度，优化滑模控制算法。 然后，对控制系统进行功能需求分析，设计控制系统硬件电路和PCB板，选择控制系统的传感器、外围电机及其驱动器，编写传感器采集、电机控制、双陀螺平衡装置控制算法、运动控制算法等模块程序并进行调试。 最后，搭建机器人样机，从起摆自平衡、抗干扰、转向运动对机器人平稳性进行实验。实验研究表明，优化后的模糊滑模控制算法能使机器人横滚角在平衡点由±2°减少到±1°；设计的控制算法能使机器人从横滚角18°恢复到平衡点±1°范围内，同时进动角也恢复到设置的边界点8°左右；在受到不同程度撞击或负载加载时，机器人横滚角能恢复到平衡点±1°；在转向运动时，机器人转向到最大值45°时，机器人横滚角能保持在2°左右。综上所述，本文设计的控制系统能够保证机器人良好的平稳性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 研究进展与现状分析

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3本课题重点研究内容

第2章 机器人双陀螺和转向控制对其平稳性的影响

2.1 机器人系统的总体结构

2.2 机器人双陀螺控制对其平稳性的影响

2.2.1 双陀螺平衡装置的陀螺力矩分析

2.2.2 陀螺力矩与机器人横滚角的关系

2.3 机器人转向控制系统对其平稳性的影响

2.4 本章小结

第3章 机器人动力学模型的建立与特性分析

3.1 动力学模型建立的主要方法

3.2 动力学模型的建立

3.2.1 建模流程

3.2.2 模型建立

3.3 动力学模型特性分析

3.3.1 系统模型线性化

3.3.2 模型的特性分析

3.4 本章小结

第4章 机器人控制算法的设计与其平稳性仿真分析

4.1 机器人控制的主要方法

4.2 基于进动回零和离心力补偿的机器人控制算法设计

4.2.1 滑模控制算法原理概述

4.2.2 机器人的滑模控制律设计

4.2.3 基于进动回零和离心力补偿的控制算法设计

4.3 机器人控制算法的平稳性仿真分析

4.3.1 起摆自平衡仿真分析

4.3.2 抗干扰仿真分析

4.3.3 转向运动平稳性仿真分析

4.4 基于模糊滑模控制的机器人平衡控制算法优化

4.5 本章小结

第5章 机器人控制系统设计

5.1 控制系统方案设计

5.1.1 功能需求分析

5.1.2 总体方案设计

5.2 控制系统硬件设计

5.2.1 控制系统硬件电路整体设计

5.2.2 STM32的最小系统设计

5.2.3 控制系统电源电路设计

5.2.4 电气隔离电路设计

5.2.5 电机与驱动器的选型及其接口电路设计

5.2.6 数据采集系统的接口电路设计

5.2.7 无线通讯模块接口电路的设计

5.3 控制系统软件设计

5.3.1 总体程序框图

5.3.2 陀螺进动角的信号处理与控制程序

5.3.3 MPU9250的信号采集与处理程序

5.3.4 wifi信号的获取与处理程序

5.3.5 机器人双陀螺和运动控制程序设计

5.4 本章小结

第6章 机器人的平稳性能试验

6.1 机器人实验平台的搭建

6.2 机器人定车时的平稳性能实验

6.2.1 起摆自平衡实验

6.2.2 抗干扰实验

6.3 机器人转向运动平稳性实验

6.4 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 总结

7.2 后续工作的展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果