【摘 要】
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作为轮式移动机器人的重要组成部分,独轮车机器人具有运动形式多样化,地形适应性强,驱动关节少等特点,其自身结构决定了它是一个多变量、多重耦合、高度非线性系统,因此对于控制问题提出了高要求。自抗扰控制算法(ADRC)具有结构精简、参数整定方便、对系统内外部干扰抑制性强等优点,可有效降低传统控制算法对精确模型的依赖性。本文以线性二阶自抗扰控制为核心算法,针对独轮车机器人的自主平衡运动控制问题展开了研究,
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作为轮式移动机器人的重要组成部分,独轮车机器人具有运动形式多样化,地形适应性强,驱动关节少等特点,其自身结构决定了它是一个多变量、多重耦合、高度非线性系统,因此对于控制问题提出了高要求。自抗扰控制算法(ADRC)具有结构精简、参数整定方便、对系统内外部干扰抑制性强等优点,可有效降低传统控制算法对精确模型的依赖性。本文以线性二阶自抗扰控制为核心算法,针对独轮车机器人的自主平衡运动控制问题展开了研究,研究内容归纳如下:(1)采用程式化建模方法建立了高效简洁的系统动力学模型。根据系统坐标系展开运动学与动力学分析,基于Chaplygin公式推导得出系统非线性动力学模型并对输出结果合理简化。通过逆动力学仿真验证推导模型功与能的守恒,另外通过虚拟样机仿真对比力矩关系,两者结合验证建模过程的正确性。(2)根据独轮车机器人动力学模型设计控制器。首先分析系统的能控性与能观性,随后针对研究对象设计两种不依赖于系统精确模型的控制器,分别为滑膜变结构控制器(SMC)与线性自抗扰控制器(LADRC)。设计其横滚方向与俯仰方向的平衡控制律并进行稳定性分析。(3)根据所设控制器进行仿真分析。通过MATLAB/Simulink模块对基于滑模控制器与线性自抗扰控制器在相同初始状态及控制目标条件下进行对比分析。在此基础上,继续添加干扰信号进行仿真,结果表明在有外界干扰的情况下,线性自抗扰控制能够较好地改善独轮车机器人系统的动态性能和抗干扰能力。随后通过Adams与MATLAB共同创建系统仿真环境,选择自抗扰控制器进行虚拟样机仿真并对结果做出分析。(4)根据仿真开展物理样机实验。简介本文研究对象的结构组成,以仿真结果为参考,完成物理样机两个单一方向上的原地平衡控制实验。依据实验结果证明系统简化模型的正确性以及所设计控制器的有效性。
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