关键词： 复杂系统   两轮自平衡小车   轮式移动机器人   本质不稳定   变结构控制  

摘要： 近年来,对非完整移动机器人的理论和应用研究日益受到国内外控制界的重视,广义地说任何带有轮式移动驱动机构的机械装置如卡车等都属于这类机器人范畴,因而它具有广泛的应用背景。本文研究对象是本质不稳定的两轮自平衡机器人,经分析其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性。且因其运动环境复杂、运动学方程中的非完整约束,所以其控制任务也具有复杂性,需要在完成平衡控制的同时实现路径规划、路径跟踪等任务。本文研究的本质不稳定两轮自平衡机器人是一种复杂的研究性实验装置,已成为理想的控制理论和控制技术研究的实验平台。 本文重点集中在本质不稳定小车的动力学控制及硬软件研发上。通过分析和借鉴国内外两轮自平衡小车的结构组成,设计了两轮自平衡小车的软硬件,并对硬件参数进行了详细的分析计算,推导出两轮小车的最大可控角度。分析引入了系统的数学模型,基于此模型进行了系统稳定性与能控能观性分析。应用变结构控制理论进行本质不稳定小车的控制研究,在小车偏角受限的条件约束下,设计出基于趋近律的滑膜变结构控制器和传统极点配置控制器。对系统进行了仿真研究,结果表明在系统外扰和参数摄动存在情况下,系统性能指标满足设计要求。

关键词： 两轮自平衡小车   动力学建模   变结构控制   计算机仿真   系统实现  

摘要： 近年来,对非完整移动机器人的理论和应用研究日益受到国内外控制界的重视。广义的说任何带有轮式移动驱动机构的机械装置如卡车等都属于这类机器人范畴,因而它具有广泛的应用背景。另一方面,此类动力学系统由于具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性,加上运动学方程中的非完整约束,使传统控制理论遇到极大困难。因此研究非完整轮式移动机器人具有十分重要的意义。两轮自平衡小车作为一种本质不稳定的轮式移动机器人更是受到各国研究者的关注。 基于以研究性实验室建设为目的的项目开展和实验室工作的规划,两轮自平衡小车系统显然是一个较完善的控制理论和控制技术研究的试验平台。本文首先介绍了国内外两轮自平衡小车的发展现状,基于此现状提出了我们的两轮自平衡小车的软硬件设计方案,并完成了硬件平台的子系统实验。其次对两轮自平衡小车系统进行了运动学和动力学建模,给出了系统在三种不同状态下的数学模型。然后基于此模型进行了系统能控能观性和稳定性分析,并依此运用变结构控制理论之最终滑动模态控制方法设计出系统的控制器。最后借助MATLAB对该系统进行了计算机仿真,通过与状态反馈控制器在有外部扰动和系统参数摄动情况下的比较,证实了变结构控制器设计的有效性及合理性。