两轮移动式倒立摆机器人的研究

摘要

本文应用动力学理论对两轮式倒立摆机器人进行系统分析和数学建模，并基于状态反馈对系统进行控制，实现了基于DSP的软件控制，使系统在各种运动状态下保持平衡。实现了系统的自平衡、运动控制以及目标跟踪。 硬件上实现了以TMS320LF2407A为核心的控制系统，实现了传感器信号采集与处理，电机驱动，软件算法。建立了无线的测试与控制平台，实现了系统的数据传输与命令传输。 在总结前人工作的基础之上，本文总共用三种方法对系统进行了数学分析，并得出一致的状态空间方程，从而保证了结果的准确性。分析过程中发现，采用拉格朗日方程法和能量法比采用牛顿力学分析方法更清晰，简洁。 在对系统状态空间方程进行分析之后发现，系统可以分解成两个互不相关的子系统，分别描述系统的两组状态。根据这两个独立的状态空间方程设计了两个控制器，其中一个控制车体保持垂直状态和行驶速度，另一个控制小车在地面的旋转速度。 小车的运动控制可以转化为对小车的行驶速度v，和旋转速度ω的控制，基于该思想，本文提出了两轮式移动倒立摆机器人的目标跟踪算法，并通过实验验证了其可行性，对目标跟踪具有一定的实时纠偏能力。但是在考虑目标跟踪中小车的行驶速度和旋转速度的时候，只是从系统稳定性角度考虑，对它们进行了修正，进一步的研究需要从时间和效率上考虑和设计，进行路径规划和轨迹控制，以保证小车能够以最佳的轨迹跟踪目标。 此外，尝试采用模糊控制来实现小车的自平衡控制，但由于采用的模糊控制输入变量较少，只实现了部分控制目标。

目录

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第一章绪论

1.1机器人学的发展

1.2两轮移动式倒立摆机器人

1.3国内外研究概况

1.4发展趋势

1.5理论应用及研究方法

1.6课题研究内容和工作

1.7论文结构

第二章系统总体结构及软硬件设计

2.1系统总体设计方案

2.1.1机械结构

2.1.2系统结构

2.2电源模块设计

2.3 DSP控制器

2.3.1 TMS320LF240xA概述

2.3.2 TMS320LF2407A

2.4传感器模块

2.4.1车体倾角的测量

2.4.2车体角速度的测量

2.4.3车轮转角的测量

2.5无线传输模块

2.6驱动电路设计

2.7软件设计

第三章理论分析和数学模型建立

3.1建立坐标系以及系统模型参数的设定

3.2系统数学模型的建立

3.2.1 基于牛顿力学的分析方法

3.2.2 基于拉格朗日方程的分析方法

3.2.3 基于能量的分析方法

3.3系统状态空间方程的分析

3.4系统参数

3.4.1电机参数

3.4.2转动惯量

3.5系统参数汇总

3.6小节

第四章状态反馈系统设计

4.1系统能控、能观性分析

4.2系统离散化及其能控、能观性分析

4.3反馈控制器的设计

4.3.1 车体平衡性控制

4.3.2 小车的行驶和转弯控制

4.4小节

第五章模糊控制方法在两轮式倒立摆机器人中的应用

5.1模糊控制器设计

5.1.1变量的论域

5.1.2模糊化

5.1.3输入控制量的量化

5.1.4隶属度函数

5.1.5模糊化表的建立

5.1.6模糊控制规则

5.1.7模糊推理

5.1.8控制规则表的建立

5.2实验结果与分析

5.3小节

第六章两轮式倒立摆机器人的运动控制

6.1机器人运动控制的任务

6.2两轮式机器人的运动模型

6.3设计思想

6.4目标跟踪算法的实现

6.5实验结果与讨论

6.5.1 实验方法

6.5.2 定点目标的跟踪控制

6.5.3运动目标的跟踪控制

6.6小节

第七章总结与展望

7.1论文主要工作

7.2结论总结

7.3工作展望

参考文献

附录

硕士期间发表论文

致谢