基于非线性ＰＩＤ的柔性两轮机器人运动控制

阮晓钢，李世臻，侯旭阳，李欣源
北京工业大学电控学院，北京

摘　　　要：柔性两轮机器人是一种不稳定、非线性、强耦合系统。该系统的突出特点是在机器人的腰部装有柔性的机体结构，能够更好地模拟人和动物的生物动力学特性，具有更好的仿生性质，同时，系统的控制难度显著增大，为使机器人能够平衡直立运动，且具有较强的鲁棒性，提出了非线性ＰＤ的姿态平衡控制方法，实现了机器人的姿态平衡，并同时设计了ＰＩＤ航向差动控制结构驱动左右轮电机，使机器人能够完成直线行进、自旋、环绕等多种运动平衡模式。实验结果表明，机器人具有优良的平衡能力和机动性能，从而验证了方法的有效性。

关　键　词：柔性；双轮机器人；ＤＳＰ；ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５；非线性ＰＤ；ＰＩＤ控制器；轨迹

１　引　言
两轮自平衡机器人本身就是一个非线性，欠驱动的系统，是一类重要的科学研究和实验研究机器人。机器人运动平衡控制问题，既是机器人学研究的重要问题，又是控制科学研究的重要问题。柔性两轮自平衡机器人突出特点是连接机器人上和下部弹性腰椎，这样机器人更加具有仿人的特性，但同时给机器人的控制提出了更高的要求。国内外对双轮机器人运动平衡控制的研究方法有很多。文献［１］提出模糊控制的方法进行平衡控制。文献［２］中以极点配置状态反馈的方法设计控制器。这些研究成果，能够很好地解决刚性机器人的平衡问题，但是对于含柔性腰椎关节的机器人却难以达到满意的控制性能。本文结合双轮自平衡机器人的动力学特点，提出一种非线性ＰＤ姿态控制器（ＰＤＮＬＢ）和ＰＩＤ轨迹控制器构成机器人的运动平衡控制系统。使机器人具有在大范围内的控制能力，更加具有全局通用性。

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