无人自行车的线性二次型调节侧向平衡控制器设计与分析

针对一种无机械平衡调节装置的无人自行车,采用分段LQR(linear quadratic regulator,线性二次型调节器)控制方法研究无人自行车侧向平衡控制问题。引入无人自行车变参数线性(variable parameter linear,LPV)力学模型,采用LQR控制方法设计无人自行车侧向平衡运动的控制器,对驱动速度划分区间,建立反馈增益查找表,对无人自行车侧向平衡运动进行数值仿真和物理样机实验研究,对比四种驱动速度下与四种质量负载下控制效果,分析LQR控制器对侧向平衡运动控制的性能。结果表明:LQR控制方法下的无人自行车在四种驱动速度和四种质量负载条件下均能实现侧向平衡运动,且车架受到外界干扰时,具有一定的克服外界干扰实现侧向平衡运动的能力。研究结果可为无人自行车实现侧向平衡运动的控制方法提供一定的参考。

独轮机器人质心参数对侧向控制影响的研究

研究独轮机器人的侧向控制问题,用LQR控制器控制独轮机器人的侧向平衡。为提高驱动系统的参数指标,如选择最大输出力矩和额定转速更大的电机,同时选择减速比更小的减速器。然而这会增加能量消耗,不利于长时间续航;高速运转会增加独轮机器人的振动频率,不利于平衡控制。为了解决上述问题,提出降低独轮机器人的总质心以增大侧向倾角的可控范围的方法。侧向倾角的可控范围增大,用数值仿真对两种方法进行了对比分析。结果表明,所需电机的额定转速高达20000r/min,减速器的减速比低至1:42,改变为电机的额定转速只需要3000r/min,减速器的减速比为1:16。可得出的结论为降低独轮机器人的总质心可以增大侧向倾角的可控范围,为控制系统设计提供了参考。

无人自行车侧向平衡的全阶滑模控制器设计与分析

针对一种无机械调节器的无人自行车,设计一种全阶滑模控制器实现无人自行车在水平地面上的侧向平衡运动,并进一步分析该控制器在不同地形下的鲁棒性。首先引用线性变参数力学模型(Linear Variable Parameter,LPV),代入无人自行车的集总参数建立无人自行车的线性模型,然后基于Ackermann公式的设计方法来设计全阶滑模侧向平衡控制器,最后通过数值仿真和物理样机实验分析该全阶滑模控制器在不同地形下的鲁棒性。数值仿真和样机实验结果表明,无人自行车在水平地面能实现侧向平衡运动,并且在控制器结构和参数不变的条件下,能够进一步实现在一定坡度的路面以及凹凸不平的土地路面上的侧向平衡运动。该结果也说明了全阶滑模控制器具有一定的能够在不同地形下克服外部干扰的鲁棒性。