单球驱动机器人Ballbot的建模与控制研究

动态平衡机器人相对静态的轮式机器人更易于与人类环境实现交流,并具有更好的稳定性。针对能在地面任意方向运动且无转弯半径的单球驱动机器人,简要设计出其机械结构,根据拉格朗日方程推导出其完整的动力性模型。通过对机器人动力学模型线性化,并分解为独立的3个状态方程,设计带有比例积分控制器和线性二次最优控制器的多环控制方法。运用Simulink仿真模块进行仿真,证明了控制策略可以实现机器人的稳定控制和轨迹跟踪控制,并表现出较好的响应特性和稳健性。

基于LQR的单球自平衡移动机器人控制器设计与仿真

针对单球自平衡移动机器人的非线性、高度耦合性和不稳定特性,提出了一种基于LQR的控制器。首先将其三维复杂动力学模型简化为三个独立平面的二维动力学模型,并建立拉格朗日平面动力学方程;其次根据平面动力学方程设计LQR控制器并在Simulink中建立控制系统仿真模型;最后对控制系统模型进行直线轨迹和圆弧轨迹跟踪仿真。仿真结果表明该控制器对线性轨迹和非线性轨迹都有很好的跟踪效果。

单球驱动自平衡机器人的互补滤波姿态解算

针对单球驱动自平衡机器人的低成本、高精度、实时姿态估计需求,设计一种基于比例-积分(PI)型互补滤波的姿态估计算法。在四元数姿态角更新方程的基础上,通过融合陀螺仪/加速度计的姿态信息实现对机器人水平姿态信息的估计,实现多传感器间频率点的切换。考虑到磁力计易受到干扰的情况,采用陀螺仪和磁力计单独对自平衡机器人的偏航角姿态解算,避免磁力计参与四元数姿态解算引起的水平姿态误差。实验结果表明,该互补滤波算法有效融合了陀螺仪的高频特性、加速度计和磁力计的低频特性,系统的姿态估计精度在±0.15°内。

基于模糊PID的球平衡机器人控制器设计与仿真

为了提高单球机器人的姿态控制和运动控制的能力,本文在构建单球机器人机械结构的基础上,设计了一种基于模糊比例-积分-微分(PID)控制算法的线性二次型最优控制方法的控制器,应用于机器人自平衡姿态解算和运动轨迹跟踪控制。为了提高单球机器人姿态控制的实时性、准确性和可靠性,将复杂的运动学模型简化成二维倒立摆运动学模型,并利用正运动学和逆运动学建立机器人全向轮与球移动函数,确立拉格朗日动力学模型。最后对机器人的姿态平衡和运动轨迹跟踪进行仿真。仿真结果表明:具有优化控制器的球平衡机器人在姿态控制和运动控制中,具有响应速度快、抗干扰能力强等优点。