基于完整约束的两轮机器人建模及平衡控制

2012年06月29日14:12:44 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

关键字：数字

李潮全，高学山，李科杰
北京理工大学智能机器人研究所，北京

哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨

摘　　　要：依据完整约束下的拉格朗日方程，推导了同轴两轮移动机器人做平面直线运动时的动力学模型，并在此基础上设计了基于极点配置的状态反馈控制模型和系统数字仿真模型。结合控制模型进行了数字仿真实验研究和物理实验研究，并给出了实验分析结果。研究表明，采用基于极点配置的状态反馈控制方案，能够实现机器人动态平衡控制；机器人在初始偏角绝对值小于０２５ｒａｄ时，能够在２ｓ内恢复平衡，当外部干扰使机器人偏离平衡位置后，机器人能够在３ｓ内恢复平衡；机器人模型推导合理、有效，数字仿真和物理实验一致性好。

关　键　词：机器人；拉格朗日；动力学；实验研究

１　引言
同轴两轮机器人属于轮式倒立摆的研究范畴，为典型的欠驱动、高阶次、强耦合系统，是研究控制算法的理想平台，它以出色的地形适应能力成为十多年来的研究热点之一，并出现了以Ｓｅｇｗａｙ为代表的市场化产品。国内外研究人员对此类机器人进行了广泛研究［１３］，主要集中在控制算法研究［４６］，平台研究［２］，及建模研究［７］几方面。其中，系统建模研究是进行两轮机器人研究的基础，控制算法及平台研究均以此为基础进行。在两轮机器人的建模中，常用的方法有牛顿欧拉法［４］和拉格朗日法［８９］。牛顿欧拉法建模注重分析，过程比较繁琐；拉格朗日法结构清晰，从能量角度考虑问题，注重综合，无需考虑内力作用项，建模过程直接有效。为此，本文将讨论完整约束下基于拉格朗日方程的动力学模型。同轴两轮机器人是本质不稳定系统，系统平衡是机器人正常工作的基础。因此，在获机器人动力学模型的基础上，论文将设计基于极点配置的状态反馈控制器，对机器人平衡控制展开研究。

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