基于Udwadia-Kalaba理论的自行车机器人平衡控制方法

摘要

针对自行车机器人侧向自平衡问题,以一类装有角动量轮的自行车机器人为研究对象,提出一种新的平衡控制方法.该方法根据自行车机器人静止时刻的侧向平衡条件,构造机器人平衡控制的运动学约束,并将平衡约束视为控制目标.基于Udwadia-Kalaba(U-K)理论,建立满足机器人侧向平衡的扭矩解析模型,设计基于模型的平衡约束跟随控制器.研究结果表明,所提控制方法能够实现自行车机器人的侧向平衡,克服机器人侧向横滚角θ初始偏差的干扰,通过对平衡扭矩模型的计算,对自行车机器人进行主动平衡控制.相较于传统PD反馈控制方法,该种基于模型设计的控制方法,具有系统响应速度快、超调量小和控制扭矩易于优化等特点.借助MATLAB软件,对所提控制方法进行了仿真验证,实现了初始横滚角速度分别为0、1、2、5°·s^(-1)条件下的自行车机器人侧向自平衡控制,仿真结果验证了控制系统的稳定性和有效性,为无人驾驶自行车机器人的平衡控制领域提供了一个新的思路.