基于較大反饋線性化的兩輪機器人平衡控制

2012年03月14日09:57:34 本網(wǎng)站我要評論(2)字號：T | T | T

關(guān)鍵字：應(yīng)用

阮曉鋼，武衛(wèi)霞，劉　航
北京工業(yè)大學(xué)電子信息與控制工程學(xué)院，北京

摘　　　要：為了對兩輪直立式機器人進行平衡控制研究，首先應(yīng)用一種拉格朗日方法對兩輪直立式機器人系統(tǒng)進行動力學(xué)建模，以力矩作為模型控制輸入并且考慮到了系統(tǒng)無滑動的非完整約束方程。求出了系統(tǒng)的較大相對階并對非線性系統(tǒng)進行了部分反饋線性化，經(jīng)過坐標(biāo)變換和輸出反饋得到了２個由兩鏈積分器構(gòu)成的子系統(tǒng)，外加３個代表系統(tǒng)內(nèi)動態(tài)的非線性方程。根據(jù)以上所得的結(jié)果，對兩輪直立式機器人進行了平衡控制，并在保持平衡時跟上期望的偏航角。所使用的方法為簡單的ＰＩＤ控制，由仿真結(jié)果可以看出機器人可以在短時間內(nèi)達到平衡狀態(tài)，驗證了這種控制方法的有效性。

關(guān)　鍵　詞：兩輪直立式機器人；非線性系統(tǒng)；反饋線性化

１　引　言
兩輪直立式機器人的概念就來自倒立擺系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng)是一種非線性、強耦合、多變量和自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)，長期以來都是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門課題之一，是檢驗各種控制理論的理想模型。本文涉及的兩輪直立式機器人是１個兩輪同軸左右平衡布置的結(jié)構(gòu)，兩輪分別驅(qū)動，由控制兩輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎［１２］。由于這種結(jié)構(gòu)具有極強的靈活性，因而受到國內(nèi)外機器人研究領(lǐng)域的高度重視，較早研究這種機構(gòu)的是日本Ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ大學(xué)的ＫａｚｕｏＹａｍａｆｕｊｉ教授，提出了制造一種自動站立機器人的構(gòu)思，這被認(rèn)為是兩輪直立式機器人的構(gòu)想起源。本文主要內(nèi)容分為以下幾部分：首先對兩輪直立式機器人進行了動力學(xué)建模［３］，然后對系統(tǒng)進行了可控性分析，求出系統(tǒng)的較大相對階，較后對系統(tǒng)進行了部分反饋線性化，得到了２個由兩鏈積分器構(gòu)成的子系統(tǒng)，外加３個代表系統(tǒng)內(nèi)動態(tài)的非線性方程，對兩輪直立式機器人進行了平衡控制，由仿真結(jié)果可以看出這種方法是有效的。但是仿真結(jié)果對實際應(yīng)用中的一些問題進行了假設(shè)，因而要說明方法的實效性，應(yīng)進行必要的實際平臺的驗證，這也是下一步要進行的工作。

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