电动轮椅的建模与轨迹控制的仿真研究

摘要

随着人类生活水平和科学技术的不断提高，特别是生物医学的飞跃发展，人类具备了战胜和控制多种传染性疾病的能力，使得我们的健康水平大幅提高，平均寿命有了很大延长。全世界人口的老龄化不断加剧，加之交通事故频发，使得半身不遂，下肢瘫痪等行动不便的轮椅需求人群不断扩大。所以电动轮椅的应用越来越广泛，同时将移动机器人技术应用到电动轮椅上的智能轮椅将是未来发展的主要方向。其中，运动控制器作为智能轮椅的控制核心，是实现移动智能轮椅各种复杂运动控制的关键，其控制效果直接决定了智能轮椅的定位精度和导航避障的有效性。电动轮椅系统是一个机电一体化系统，本文首先分析了轮椅系统的各个环节，提出了控制系统的改进原理，选用Ingenious公司生产的H桥直流伺服驱动器，实现了PC机与伺服驱动器的通讯，为第三章模型辨识中实验数据的获取提供硬件支持。其次，对改进后的电动轮椅系统进行了模型辨识，分析了电动轮椅的运动原理，详细描述了电动轮椅模型辨识的方法和步骤，并利用MATLAB平台对辨识过程获得的实验数据进行分析和拟合，最终完成了对电动轮椅运动模型的辨识。由于电动轮椅之间电机特性等参数不会完全相同，所以本文建立的模型是通过多次实验辨识后得出的，该方法比通过理论推导出的电动轮椅模型更加具有真实性和有效性。基于辨识出的模型是一个双输入双输出模型，耦合较强。本文利用解耦控制算法对该模型进行简化，设计控制器，并通过仿真研究讨论控制器的控制效果。解耦控制算法是解决MIMO系统的常用方法。该方法的基本原理是通过设计对角化矩阵结合单位负反馈使得改进后的开环传递函数矩阵成为对角阵，从而将MIMO转化为多个SISO模型，分别设计出控制器。本文初探了电动轮椅受到外部扰动的模型，并利用鲁棒控制方法设计出电动轮椅系统在受到扰动情况下的控制器。最后，本文分别对上述两种方法设计出的控制器进行了轨迹控制的仿真，仿真结果表明：鲁棒控制方法能很好地解决轮椅在扰动下的稳定性问题，提高了轮椅的控制性能和精度，造福了残障人士。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 电动轮椅的相关研究内容

1.2.1 电动轮椅的主要研究模块

1.2.2 电动轮椅的模型研究

1.3 鲁棒控制理论概述

1.4 课题任务和研究意义

1.5 本文的内容结构安排

第二章 电动轮椅的控制系统改进

2.1 电动轮椅实物介绍

2.2 电动轮椅控制系统的国内现状

2.3 电动轮椅的控制系统改进

2.3.1 电动轮椅控制系统改进设计原理

2.3.2 电动轮椅控制系统改进的硬件实现

2.4 电动轮椅的控制问题

2.4.1 改进后的控制系统

2.4.2 电动轮椅的鲁棒控制问题

2.4.3 电动轮椅的不确定扰动

2.5 本章小结

第三章 电动轮椅的建模

3.1 电动轮椅的运动原理

3.2 电动轮椅模型辨识的方法

3.3 电动轮椅模型辨识的结果

3.4 本章小结

第四章 电动轮椅系统的鲁棒控制

4.1 电动轮椅系统的解耦控制

4.1.1 三角化设计原理

4.1.2 电动轮椅的解耦设计

4.2 电动轮椅的不确定扰动数学模型

4.3 电动轮椅的鲁棒控制设计

4.3.1 H_∞ 控制问题的描述

4.3.2 基于电动轮椅模型的H_∞ 鲁棒控制器设计

4.3.3 LMI工具箱的MATLAB描述

4.4 本章小结

第五章 仿真结果与分析

5.1 电动轮椅解耦控制算法的仿真结果

5.2 电动轮椅的H_∞ 鲁棒控制的仿真结果与分析

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文目录