基于虚拟样机技术的两轮自平衡机器人的仿真研究

摘要

两轮自平衡机器人是轮式移动机器人中重要的一类仿生系统，其运动平衡控制问题是机器人学和机器人技术研究中的重要问题之一。为了验证两轮自平衡机器人设计的有效性和提高两轮自平衡机器人设计的效率，本文采用虚拟现实技术对两轮自平衡机器人进行了仿真研究。取得了如下成果： 1、建立了机器人的运动坐标体系，及其等效简化结构的多刚体动力学模型和运动学模型，对两轮自平衡机器人进行了运动学和动力学分析，特别地，导出了其简化结构多刚体系统的lagrange动力学方程组，针对机器人在倾斜面上的运动，建立了两轮自平衡机器人特定运动模式下的数学模型；同时分析研究了两轮自平衡机器人重心位置不同情况下的性能变化情况。 2、参照两轮自平衡机器人实际的几何参数、物理特性，建立了两轮自平衡机器人的三维实体模型，并利用ADAMS的专业图形接口，创建约束，建立了三维虚拟现实环境中的两轮自平衡机器人的仿真模型。 3、在三维虚拟现实的环境中，应用PID控制方法实现了两轮自平衡机器人的姿态平衡控制和速度控制、越障控制。首先，证明机器人系统在稳定点邻域局部可控。然后，将系统解耦成为直线运动子系统和旋转运动子系统，分别控制两个子系统。最后，针对机器人直立平衡和速度控制、越障控制进行仿真实验与实际系统实验，实验结果显示控制方法可行。 本文的研究工作得到了国家自然科学基金的支持，相关研究成果已经得到国家知识产权局的软件著作权授权证书，所写论文被2009中国自动化学会二十四届青年学术年会正式录用。本文的研究工作对于两轮自平衡机器人在虚拟现实环境下的应用与实现具有一定的参考价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1机器人课题背景

1.1.1机器人定义

1.1.2机器人发展概述

1.2国内外研究现状

1.3虚拟样机技术

1.3.1虚拟样机的研究现状

1.3.2虚拟样机技术的内涵

1.3.3虚拟样机技术的关键技术

1.3.4虚拟样机的支撑环境

1.4基于虚拟样机技术的两轮自平衡机器人的仿真研究的意义

1.5本文主要的研究内容

第2章两轮自平衡机器人系统设计

2.1两轮自平衡机器人系统设计

2.1.1机械结构设计

2.1.2电气系统设计

2.2数字信号处理系统

2.2.1模拟数字信号转换器

2.2.2脉宽调制信号

2.2.3串行通信接口

2.3姿态检测传感器

2.3.1倾角传感器

2.3.2陀螺仪

2.4驱动系统

2.5两轮自平衡机器人软件系统设计

2.6本章小结

第3章两轮自平衡机器人虚拟样机的建立

3.1两轮自平衡机器人本体结构的建立

3.2 ADAMS软件介绍

3.2.1用户界面模块(ADAMS/View)

3.2.2求解器模块(ADAMS/Solver)

3.2.3后处理模块(ADAMS/PostProcessor)

3.3两轮自平衡机器人虚拟样机仿真分析步骤

3.4两轮自平衡机器人虚拟样机模型建立

3.4.1图形接口模块(ADAMS/Exchange)

3.4.2建立虚拟样机模型的步骤

3.5本章小结

第4章两轮自平衡机器人动力学分析

4.1两轮自平衡机器人的系统模型

4.2模型分析

4.3仿真验证

4.4应用与实现

4.5本章小结

第5章两轮自平衡机器人的动力学仿真研究

5.1 ADAMS/Controls与Matlab联合仿真

5.1.1 ADAMS中建立控制器的六种方法

5.1.2 ADAMS与MATLAB联合创建控制系统

5.2直立平衡控制

5.2.1控制系统设计

5.2.2仿真实验

5.3两轮自平衡机器人的速度控制

5.3.1控制系统设计

5.3.2仿真实验

5.4越障控制

5.4.1仿真环境建模

5.4.2控制系统设计

5.4.3仿真实验

5.5本章小结

结论

研究成果

展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果

致 谢