本文針對單球移動機器人的驅(qū)動、平衡與軌跡跟蹤控制問題,首先介紹了單球移動機器人的結(jié)構(gòu)及其運動學與動力學模型,分析了該機器人的系統(tǒng)控制特點及其影響因素,從硬件選型和控制算法方面確定了提高控制系統(tǒng)性能的方案;其次研究了平衡、軌跡跟蹤控制策略和控制算法及仿真分析;再將研究的平衡、軌跡跟蹤控制算法集成一體,進行了單球移動機器人控制的綜合實驗。獲得了如下主要研究成果:一、以本學術(shù)團隊研制的單球移動機器人為研究對象,詳細介紹了單球移動機器人的組成與結(jié)構(gòu),配置了以高性能DSP、內(nèi)嵌控制芯片的慣性檢測單元HI219等組成的系統(tǒng)控制硬件;建立了全向輪與驅(qū)動球之間的運動學模型;應用Eular-Lagrange方程,推導了機器人的動力學模型;應用Matlab分析了該機器人系統(tǒng)的可控性、可觀性及穩(wěn)定性,確定了系統(tǒng)的控制策略。二、在前述所建立的機器人運動學和動力學模型的基礎(chǔ)上,根據(jù)機器人自平衡控制的特點,對相應的模型線性化處理,并應用基于遺傳算法優(yōu)化的LQR控制方法設(shè)計了基于遺傳算法優(yōu)化的LQR控制器;利用遺傳算法的并行全局搜索能力求出最優(yōu)權(quán)矩陣Q、R參數(shù),解決了單球移動機器人LQR控制方法中權(quán)矩陣Q、R難確定的問題;仿真結(jié)果表明:遺傳算法優(yōu)化的LQR控制器能快速穩(wěn)定地實現(xiàn)機器人的姿態(tài)平衡與位置控制,相比于傳統(tǒng)的LQR控制,其實時性更好、魯棒性更強。根據(jù)機器人軌跡跟蹤控制的欠驅(qū)動、非線性特點,在保證系統(tǒng)漸近穩(wěn)定的情況下,引入了高增益觀測器來估計不可測變量以提高反饋變量的精度,構(gòu)建了一種基于高增益觀測器分離定理的欠驅(qū)動滑�？刂品椒�,設(shè)計了相應的軌跡跟蹤控制器。仿真結(jié)果顯示:所設(shè)計的軌跡跟蹤控制器,實現(xiàn)了姿態(tài)平衡與良好的軌跡跟蹤,同時,從調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)態(tài)性能指標上證明了該控制器響應速度快,魯棒性強,解決了系統(tǒng)抗干擾能力弱、狀態(tài)不可測等問題。三、將基于遺傳算法優(yōu)化的LQR控制器和基于高增益觀測器分離定理的欠驅(qū)動滑模軌跡跟蹤控制器應用于單球移動機器人的控制系統(tǒng)中,在CCS平臺上進行了相應的控制軟件系統(tǒng)開發(fā),進行了單球移動機器人的平衡控制實驗;實驗結(jié)果與平衡控制的仿真結(jié)果對比,結(jié)果表明:機器人的姿態(tài)角基本保持在?5控制范圍內(nèi),穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)時間保持在3s以內(nèi);受到干擾的情況下,優(yōu)化的LQR控制器可在?10范圍內(nèi)實現(xiàn)姿態(tài)角控制,而在超過?10時,基于高增益觀測器分離定理的欠驅(qū)動滑�？刂破饕廊荒鼙ＷC姿態(tài)平衡調(diào)整。由此可見,本文研究的單球移動機器人控制策略與控制算法是可行且具有更好的穩(wěn)定性、魯棒性、實時性。
【學位單位】：江西理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

5”戰(zhàn)略的實施，近年來我國的工業(yè)機發(fā)達國家比，我國的工業(yè)機器人和服機器人廣泛應用于軍事、物流、交通用于工業(yè)，也可應用于服務業(yè)；移動[3,4]。本文研究涉及的單球移動機器動機器人發(fā)展而來的一種全向平衡移人相比，單球移動機器人具有結(jié)構(gòu)簡點。然而，單球移動機器人是騎在一方位的倒立擺系統(tǒng)，是一個典型的非的欠驅(qū)動系統(tǒng)；其控制系統(tǒng)是綜合了究單球移動機器人的控制理論與技術(shù)了國內(nèi)外越來越多的學者重視和關(guān)注

Nagarajan 等人[12]繼續(xù)推進了“Ballbot”的研究，在建模中，更而避免了兩個廣義坐標之間的耦合，考慮了摩擦損耗，使整個模型態(tài)平衡、位置保持、偏航運動、靜態(tài)與動態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。文獻[13]針束和欠驅(qū)動特點，提出了一種離線軌跡規(guī)劃算法，為未驅(qū)動的關(guān)節(jié)足動態(tài)約束下的靜態(tài)配置要求，并且通過實驗驗證系統(tǒng)具有抗干擾了帶有手臂的“Ballbot”機器人，提出了一種利用動態(tài)約束方程來法，當軌跡被跟蹤時，實現(xiàn)位移誤差小，得到最優(yōu)位移跟蹤�！癇allbot”，其他國家也相繼研發(fā)了其他相似的單球移動機器人umagai 等人開始研究單球移動機器人，先后發(fā)明了“BallIP1”、“-W”[15]，如圖 1.3-1.5 所示。在驅(qū)動結(jié)構(gòu)上，這三個機器人與“Ba兩者提出了一種由三個全向輪驅(qū)動球體運動的新型驅(qū)動結(jié)構(gòu)，后者滾輪的裝置。與“Ballbot”相比，這三類機器人都解決了“Ballb問題。在控制上，提出了雙 PD 穩(wěn)定控制方法，具有一定的攜帶負

Nagarajan 等人[12]繼續(xù)推進了“Ballbot”的研究，在建模中，更而避免了兩個廣義坐標之間的耦合，考慮了摩擦損耗，使整個模型態(tài)平衡、位置保持、偏航運動、靜態(tài)與動態(tài)的相互轉(zhuǎn)化。文獻[13]針束和欠驅(qū)動特點，提出了一種離線軌跡規(guī)劃算法，為未驅(qū)動的關(guān)節(jié)足動態(tài)約束下的靜態(tài)配置要求，并且通過實驗驗證系統(tǒng)具有抗干擾了帶有手臂的“Ballbot”機器人，提出了一種利用動態(tài)約束方程來法，當軌跡被跟蹤時，實現(xiàn)位移誤差小，得到最優(yōu)位移跟蹤�！癇allbot”，其他國家也相繼研發(fā)了其他相似的單球移動機器人umagai 等人開始研究單球移動機器人，先后發(fā)明了“BallIP1”、“-W”[15]，如圖 1.3-1.5 所示。在驅(qū)動結(jié)構(gòu)上，這三個機器人與“Ba兩者提出了一種由三個全向輪驅(qū)動球體運動的新型驅(qū)動結(jié)構(gòu)，后者滾輪的裝置。與“Ballbot”相比，這三類機器人都解決了“Ballb問題。在控制上，提出了雙 PD 穩(wěn)定控制方法，具有一定的攜帶負

【參考文獻】

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本文編號：2810853