两轮自平衡车摆机器人建模与控制方法的研究

内容简介

两轮自平衡机器人属于移动机器人领域的新成员，具有重量轻、结构紧凑、灵活机动、零转弯半径等优点，非常适合在狭小和拥挤的环境中使用，同时它可以作为一种便捷的运输和载人工具，有着广泛的应用前景。本书从两轮自平衡车摆机器人出发，围绕提高两轮自平衡车摆机器人的稳定性、机动性、安全性和对复杂系统的指导性来展开叙述。本书主要内容包括：第1章绪论、第2章两轮自平衡车摆机器人系统构建及姿态测量、第3章两轮自平衡车摆机器人建模及动力学特性分析、第4章两轮自平衡车摆机器人平衡控制算法研究、第5章两轮自平衡车摆机器人直行和转向控制研究、第6章两轮自平衡车摆机器人实验研究。

前言序言

　　两轮自平衡机器人是一种结构性和原理性相统一的仿生机器人系统。进入21世纪后，两轮自平衡机器人由于具有静态不稳定动力学特性，吸引了研究人员的极大兴趣，各种先进的两轮机器人相继出现，机器人的机构和控制算法也在不断更新。两轮自平衡机器人属于移动机器人领域的新成员，具有重量轻、结构紧凑、灵活机动、零转弯半径等优点，非常适合在狭小和拥挤的环境中使用，同时它可以作为一种便捷的运输和载人工具，有着广泛的应用前景。两轮自平衡机器人还是一个理想的移动机器人平台，上面可以搭载各种智能装备和机械装置，构□□的机器人系统，可以应用到更多的领域。所以，开展两轮自平衡机器人相关控制方法的研究具有重要的学术和应用价值。传统的两轮自平衡机器人虽然是一个典型的强耦合、非线性、静态不稳定系统，但是在某些复杂的应用场景，尤其是在某些□□器和复杂的机器人控制领域，传统的机器人控制方法已不能满足其需求，不能提供技术方法的指导了。传统两轮自平衡机器人通常还被作为便捷的代步工具使用，但是，使用者需要站立在机器人上，长时间驾驶容易使人产生疲劳；当机器人上坡和下坡时，机器人本身无法保持直立，长期保持这种姿态会存在安全隐患。针对传统两轮机器人的这些不足，本书提出了一种两轮自平衡车摆机器人系统，围绕提高两轮自平衡机器人的稳定性、机动性、安全性和对复杂系统的指导性来开展研究。本书的主要研究内容和取得的成果如下：
　　针对控制系统的复杂性要求，本书提出了一种两轮自平衡车摆机器人，并详细给出了该机器人的机构和控制系统的构建方法和实现途径。所研制的机器人除了具有传统两轮自平衡机器人的特性以外，还具有一个可以在一个平面上自由摆动的单摆，可通过单摆动态调整机器人的重心，有效地改善了传统两轮机器人控制系统的性能，优化了机器人的控制算法。
　　姿态测量是两轮自平衡机器人实现平衡控制的前提条件。本书根据两轮自平衡车摆机器人的姿态测量要求，分析了传感元件的特性，提出了基于陀螺仪和加速度计的姿态检测方法；分析了数据滤波方法，提出了自适应扩展卡尔曼滤波方案，并对此方案展开了深入的研究。
　　本书对两轮自平衡车摆机器人的运动规律展开了深入研究。本书根据拉格朗日方程建立了两轮自平衡车摆机器人的运动学和动力学模型，对动力学模型进行深入的分析，同时进行降阶和解耦处理，将该机器人系统分解为直行子系统和转向子系统，并在假设条件下对直行动力学进行了处理，使该机器人复杂的动力学模型得到了简化，极大地方便了机器人控制器的设计。此外，在所获得的两轮自平衡车摆机器人动力学模型的基础上，本书还对该机器人的动力学特性进行了研究，得到了该机器人稳态运动的规律。
　　本书针对两轮自平衡车摆机器人的平衡控制问题，提出了基于线性化模型的递归LQR平衡控制算法，递归LQR算法在平衡点附近实现了离散线性化，保证了算法的精确度；针对非线性系统模型提出了自适应模糊算法，此算法直接以非线性系统为被控对象，通过构造模糊系统和自适应律，实现对模型的精确控制；深入分析了两轮自平衡车摆机器人的运动控制问题，根据该机器人的数学模型，提出了机器人的直行和转向控制策略。另外，本书依据两轮自平衡车摆机器人的直行动力学模型和转向动力学模型，分别设计了该机器人的直行控制器和转向控制器。针对以上控制策略，本书采用MATLAB的动力仿真实验，验证了控制方法的有效性。
　　本书对两轮自平衡车摆机器人平台进行了物理实验研究，包括平衡控制实验、直行控制实验、转向控制实验和抗干扰实验。实验结果显示，两轮自平衡车摆机器人具有较好的平衡性能和抗干扰能力，达到了预期的效果，同时也证明了动力学模型及控制方法的有效性。
　　本书的出版得到了本人工作单位——黄山学院的大力支持，并受到了黄山学院学术著作出版□□的资助，在此致谢！本书第一、二章由王哲撰写，约6万字，其余章节由本人即钱庆文撰写，约10万字。因作者学术能力□限，书中难免存在疏漏，恳请读者批评指正。

目录

第1章 绪论
1．1 两轮自平衡机器人概述
1．2 国内外研究现状
1．3 两轮自平衡机器人研究现状分析
1．4 研究意义
1．5 研究内容

第2章 两轮自平衡车摆机器人系统构建及姿态测量
2．1 两轮自平衡车摆机器人机械系统
2．2 两轮自平衡车摆机器人控制系统
2．3 两轮自平衡车摆机器人姿态测量方法的设计
2．4 两轮自平衡车摆机器人扩展自适应卡尔曼滤波算法的研究
2．5 本章小结

第3章 两轮自平衡车摆机器人建模及动力学特性分析
3．1 两轮自平衡车摆机器人建模假设条件及参数说明
3．2 两轮自平衡车摆机器人运动学建模
3．3 两轮自平衡车摆机器人动力学建模
3．4 两轮自平衡车摆机器人动力学特性分析
3．5 本章小结

第4章 两轮自平衡车摆机器人平衡控制算法研究
4．1 线性二次型控制介绍
4．2 两轮自平衡车摆机器人递归LQR算法的研究
4．3 LQR平衡仿真实验
4．4 两轮自平衡车摆机器人自适应模糊控制算法的研究
4．5 自适应模糊平衡控制仿真
4．6 本章小结

第5章 两轮自平衡车摆机器人直行和转向控制研究
5．1 模糊算法概述
5．2 两轮自平衡车摆机器人平衡控制方法
5．3 两轮自平衡车摆机器人直行控制方法
5．4 两轮自平衡车摆机器人转向控制方法
5．5 本章小结

第6章 两轮自平衡车摆机器人实验研究
6．1 VC++和MATLAB混合编程概述
6．2 两轮自平衡车摆机器人实验系统
6．3 两轮自平衡车摆机器人实验内容
6．4 本章小结

第7章 结论

参考文献

作者简介

　　钱庆文，工学博士，副教授，现工作于黄山学院，中国高等教育计算机研究会会员，青少年教育研究分会理事，主要研究方向为嵌入式系统、机器人、控制算法，发表论文10余篇，承担省部级项目5项、横向课题10余项，授权专利8项。
　　
　　王哲，工学硕士，讲师，现工作于黄山学院，主要研究方向为控制理论与控制工程、控制算法，发表论文10余篇，承担省部级项目2项、横向课题2项，授权专利4项。