基于较大反馈线性化的两轮机器人平衡控制

2012年03月14日09:57:34 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

关键字：应用

阮晓钢，武卫霞，刘　航
北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京

摘　　　要：为了对两轮直立式机器人进行平衡控制研究，首先应用一种拉格朗日方法对两轮直立式机器人系统进行动力学建模，以力矩作为模型控制输入并且考虑到了系统无滑动的非完整约束方程。求出了系统的较大相对阶并对非线性系统进行了部分反馈线性化，经过坐标变换和输出反馈得到了２个由两链积分器构成的子系统，外加３个代表系统内动态的非线性方程。根据以上所得的结果，对两轮直立式机器人进行了平衡控制，并在保持平衡时跟上期望的偏航角。所使用的方法为简单的ＰＩＤ控制，由仿真结果可以看出机器人可以在短时间内达到平衡状态，验证了这种控制方法的有效性。

关　键　词：两轮直立式机器人；非线性系统；反馈线性化

１　引　言
两轮直立式机器人的概念就来自倒立摆系统。倒立摆系统是一种非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的系统，长期以来都是国内外学者研究的热门课题之一，是检验各种控制理论的理想模型。本文涉及的两轮直立式机器人是１个两轮同轴左右平衡布置的结构，两轮分别驱动，由控制两轮的转速差实现直行和转弯［１２］。由于这种结构具有极强的灵活性，因而受到国内外机器人研究领域的高度重视，较早研究这种机构的是日本Ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ大学的ＫａｚｕｏＹａｍａｆｕｊｉ教授，提出了制造一种自动站立机器人的构思，这被认为是两轮直立式机器人的构想起源。本文主要内容分为以下几部分：首先对两轮直立式机器人进行了动力学建模［３］，然后对系统进行了可控性分析，求出系统的较大相对阶，较后对系统进行了部分反馈线性化，得到了２个由两链积分器构成的子系统，外加３个代表系统内动态的非线性方程，对两轮直立式机器人进行了平衡控制，由仿真结果可以看出这种方法是有效的。但是仿真结果对实际应用中的一些问题进行了假设，因而要说明方法的实效性，应进行必要的实际平台的验证，这也是下一步要进行的工作。

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