一种独轮机器人的滑模控制

阮晓钢，胡敬敏，王启源，刘　航
北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京

摘　　　要：针对一种由一个车轮驱动并控制前向平衡、并由电机驱动惯性轮形成反力矩来控制侧向平衡的独轮机器人系统，提出了一种分组分层滑模变结构控制方法。该方法根据机器人动力学模型特点，将系统看作两个单输入系统组合，并分别针对每个单输入系统设计分层滑模控制器，从而实现机器人的运动平衡控制。从理论上证明了各层滑动平面的渐近稳定性，并通过仿真实验验证了控制方法的有效性和鲁棒性。

关　键　词：独轮机器人；滑模控制；运动平衡控制；分层

１　引　言
独轮机器人系统是通过模仿人骑独轮自行车构建的智能系统，该系统与近年来研究较多的两轮机器人有一定的相似性。与两轮机器人相比，独轮机器人系统机械结构更加简单，外型灵巧，将系统与地面接触点数目降到较小，可以高速运行，有广阔的应用前景。同时，独轮机器人系统属于一类复杂的欠驱动静态不平衡非线性系统，其建模和控制问题十分复杂。总之，独轮机器人系统控制方法的研究具有重要的理论价值和应用价值，同时也存在着较大的难度。独轮机器人的研究始于二十世纪七八十年代，主要集中于日本、美国等国家。１９８７年斯坦福大学的Ｓｃｈｏｏｎｗｉｎｋｅｌ［１］等人，对一种独轮机器人的机械机构，平衡传感器的评价等进行研究；１９８９年麻省理工的Ｖｏｓ，ＤａｖｉｄＷ等人，应用Ｓｃｈｏｏｎｗｉｎｋｅｌ等人的模型，实现对独轮机器人平衡控制［２］；２００８年９月３１日在“ＣＥＡＴＥＣＪＡＰＡＮ２００８”上，村田制作所推出名为“村田少女” 的独轮车机器人［３］。但在国内，独轮机器人的研究罕有报道。目前应用于独轮机器人的控制方法主要是针对机器人的线性模型进行的线性控制方法，如：文献［１］根据系统线性模型应用ＬＱＲ控制器实现机器人的前向平衡；文献［２］在文献［１］的基础上提出改进的ＬＱＲ方法，实现了机器人的平衡控制；文献［４］采用ＰＤ控制实现独轮机器人的平衡控制；而非线性控制方法在独轮机器人系统上研究较少，文献［６］根据简化的系统非线性模型设计非线性控制器实现机器人的平衡控制。综上所述，针对独轮机器人系统的控制方法研究较少，特别是有效非线性控制方法的研究，这方面有待于进一步探索和研究。滑模变结构控制是一种广泛应用于机器人、航空航天和工业领域的非线性控制方法。本文研究一种由一个车轮驱动并控制前向平衡、由电机驱动惯性轮形成反力矩来控制侧向平衡的独轮机器人系统，根据其动力学模型特点，设计分组分层滑模控制器来实现机器人的平衡控制，并在理论上证明控制器各层滑模面的渐近稳定性。仿真实验结果表明，这种控制方法有效地实现了独轮机器人的运动平衡控制，同时该控制器对外界扰动具有一定的自适应性。

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