單輪機器人運動機理及其控制方法的研究.pdf

1、單輪機器人在左右自由度和俯仰自由度上是靜態(tài)不穩(wěn)定的，系統(tǒng)本身具有多變量、非線性、強耦合、時變、參數(shù)不確定性等特性，是驗證各種控制算法的理想平臺,具有十分重要的理論意義。此外單輪機器人具有結構簡單、運行靈活、成本低等特點，適合在狹小和危險的環(huán)境工作，具有廣泛的應用前景。
　　本文將單輪機器人的平衡控制分為縱向穩(wěn)定控制和側(cè)面穩(wěn)定控制。針對左右自由度平衡設計了“配重穩(wěn)定”式和“陀螺穩(wěn)定”式兩種結構，并對“配重穩(wěn)定”式結構建立數(shù)學模型，設

2、計了PID控制器。通過Matlab仿真實驗驗證了該模型的可行性。
　　本文重點分析設計了單輪機器人的俯仰自由度平衡控制。根據(jù)牛頓力學定律建立了下平衡組件的動力學模型，將其線性化得到了系統(tǒng)的線性狀態(tài)方程。然后基于此模型的線性狀態(tài)方程進行了系統(tǒng)能控性、能觀性和穩(wěn)定性分析,利用極點配置方法設計了俯仰傾角控制器，并利用Matlab進行了仿真分析。
　　針對傳統(tǒng)極點配制算法無法克服機器人運動過程中干擾大、參數(shù)變化的問題，設計了滑模變結