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Mathematical modeling of elastic inverted pendulum control system 被引量:3
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作者 ChaoXU XinYU 《控制理论与应用(英文版)》 EI 2004年第3期281-282,共2页
Inverted pendulums are important objects of theoretical investigation and experiment in the area of control theory and engineering. The researches concentrate on the rigid finite dimensional models which are described... Inverted pendulums are important objects of theoretical investigation and experiment in the area of control theory and engineering. The researches concentrate on the rigid finite dimensional models which are described by ordinary differential equations (ODEs) .Complete rigidity is the approximation of practical models ; Elasticity should be introduced into mathematical models in the analysis of system dynamics and integration of highly precise controller. A new kind of inverted pendulum, elastic inverted pendulum was proposed, and elasticity was considered. Mathematical model was derived from Hamiltonian principle and variational methods, which were formulated by the coupling of partial differential equations (PDE) and ODE. Because of infinite dimensional, system analysis and control of elastic inverted pendulum is more sophisticated than the rigid one. 展开更多
关键词 Elastic inverted pendulum Hamiltonian principle Variational methods Mathematical model Coupling equation array
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Modeling Walking with an Inverted Pendulum Not Constrained to the Sagittal Plane. Numerical Simulations and Asymptotic Expansions
2
作者 Guillermo H. Goldsztein 《Applied Mathematics》 2017年第1期57-76,共20页
Inverted pendulum models are commonly used to study the bio-mechanics of biped walkers. In its simplest form, the inverted pendulum consists of a point mass attached to two straight mass-less legs. Most works constrai... Inverted pendulum models are commonly used to study the bio-mechanics of biped walkers. In its simplest form, the inverted pendulum consists of a point mass attached to two straight mass-less legs. Most works constrain the motion of the mass to the sagittal plane, i.e. the plane perpendicular to the ground that contains the direction toward the biped is walking. In this article, we remove this constrain to study the oscillations, the mass experiences in the direction perpendicular to the sagittal plane as the biped walks. While small, these lateral oscillations are unavoidable and of importance in the understanding of balance and stability of walkers, as well as walkers induced oscillations in pedestrian bridges. 展开更多
关键词 Mathematical modelING inverted pendulum Mechanics of WALKING SAGITTAL Plane OSCILLATIONS
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基于模型预测控制的双足高效行走系统
3
作者 严海鑫 李国承 +1 位作者 上官倩芡 安康 《上海师范大学学报(自然科学版中英文)》 2024年第3期308-314,共7页
提出基于模型预测的双足高效行走系统.首先,利用最优能效算法对双足行进中的最优步态进行分析,包括行进步长和步速,并以此生成参考轨迹;然后,通过模型预测控制的思路对机器人的最优能效步态进行跟踪控制;最后,结合机器人逆运动学构建高... 提出基于模型预测的双足高效行走系统.首先,利用最优能效算法对双足行进中的最优步态进行分析,包括行进步长和步速,并以此生成参考轨迹;然后,通过模型预测控制的思路对机器人的最优能效步态进行跟踪控制;最后,结合机器人逆运动学构建高效稳定的双足行走系统.通过仿真实验验证了该系统可以有效跟踪、生成高效的行走步态,探寻了双足机器人动态行走的新思路. 展开更多
关键词 模型预测控制 线性倒立摆 高效行走步态 零力矩点(ZMP) 支撑多边形
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基于ESP32的无线平衡小车的设计
4
作者 张广磊 方东东 刘思邦 《周口师范学院学报》 CAS 2024年第2期47-49,71,共4页
研究采用ESP32国产单片机模组作为主控,性价比高的电机驱动芯片DRV8833以及MPU6050传感器等作为硬件基础。基于PID控制模型算法以及倒立摆模型设计一款体积小巧集成度高、价格低廉的双轮无线平衡小车。通过实验证明,本平衡车操作简单,... 研究采用ESP32国产单片机模组作为主控,性价比高的电机驱动芯片DRV8833以及MPU6050传感器等作为硬件基础。基于PID控制模型算法以及倒立摆模型设计一款体积小巧集成度高、价格低廉的双轮无线平衡小车。通过实验证明,本平衡车操作简单,性能优良,满足运动可控和平衡稳定的需求。 展开更多
关键词 ESP32单片机 PID控制 倒立摆模型 MPU6050传感器
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基于滚球倒立摆模型对新型自平衡车载人研究
5
作者 段宇 付莹贞 +3 位作者 苏涛勇 肖金平 刘子杰 彭翼杰 《机械设计与制造工程》 2024年第3期34-38,共5页
针对自平衡车制动性能差、抗干扰能力弱等问题,设计了一种新型自平衡车,利用滚球倒立摆模型研究新型自平衡车载人运动过程。构建动力学模型,基于PID控制方法论证了设计方案的可行性;基于自抗扰控制技术改进控制系统,使用Simulink进行仿... 针对自平衡车制动性能差、抗干扰能力弱等问题,设计了一种新型自平衡车,利用滚球倒立摆模型研究新型自平衡车载人运动过程。构建动力学模型,基于PID控制方法论证了设计方案的可行性;基于自抗扰控制技术改进控制系统,使用Simulink进行仿真并与实验数据对比分析。结果表明,新型自平衡车在较大加速度(15 m/s^(2))时仍能保持稳定,动态品质较高。 展开更多
关键词 新型自平衡车 滚球倒立摆模型 PID 自抗扰控制
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基于独立参考模型的抗干扰反步控制研究
6
作者 李珺 李国明 +1 位作者 曾政霖 韩传翔 《河北水利电力学院学报》 2024年第3期19-23,72,共6页
提出了一种基于独立参考模型的抗干扰反步控制方法,并在经典的单级直线倒立摆系统的应用中表现出色。首先,设计单级直线倒立摆的反步控制器并得到系统的独立参考模型,此时单级直线倒立摆若受到干扰将会偏离独立参考模型的理想值,为提高... 提出了一种基于独立参考模型的抗干扰反步控制方法,并在经典的单级直线倒立摆系统的应用中表现出色。首先,设计单级直线倒立摆的反步控制器并得到系统的独立参考模型,此时单级直线倒立摆若受到干扰将会偏离独立参考模型的理想值,为提高单级直线倒立摆的抗干扰性能,引入广义状态误差,即独立参考模型输出与系统实际输出的误差,然后基于广义状态误差和反步控制方法利用Lyapunov稳定性理论设计控制器,最终得到基于独立参考模型的单级直线倒立摆抗干扰反步控制器。仿真结果表明,该控制器能够有效抑制外界干扰对单级直线倒立摆的影响,具有较强的鲁棒性和抗干扰能力。 展开更多
关键词 独立参考模型 抗干扰 反步控制 广义状态误差 单级直线倒立摆
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基于二级倒立摆的数学建模及系统性能分析 被引量:2
7
作者 吉红 王颖丽 +1 位作者 赵忠义 孙宏图 《机械设计》 CSCD 北大核心 2023年第7期137-142,共6页
基于二级倒立摆非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的高阶系统特点,文中采用Lagrange数学建模方法对二级倒立摆模型数学建模并进行系统分析。分析二级倒立摆系统结构及阐述其工作原理,并基于Lagrange方程建立该系统的非线性模型;考虑... 基于二级倒立摆非线性、强耦合、多变量和自然不稳定的高阶系统特点,文中采用Lagrange数学建模方法对二级倒立摆模型数学建模并进行系统分析。分析二级倒立摆系统结构及阐述其工作原理,并基于Lagrange方程建立该系统的非线性模型;考虑系统工作特点对建模过程中次要因素进行忽略,并在此基础上对数学模型线性化处理;对二级倒立摆模型的稳定性、可控性及可观性进行分析。结果表明:二级倒立摆模型是一个单输入多输出系统,具有高度不稳定性,但具有良好的可控性和可观性,这为二级倒立摆模型的控制系统研究奠定了坚实的理论基础。 展开更多
关键词 二级倒立摆 数学建模 线性化 可控性 可观性
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基于模型预测控制的直线倒立摆的MATLAB和ADAMS仿真研究
8
作者 石惠文 郑杰 《工业技术与职业教育》 2023年第5期1-5,共5页
单级直线倒立摆是一个经典的、复杂的、欠驱动控制系统。模型预测控制作为一种在线优化控制方法善于处理复杂的控制问题。应用拉格朗日动力学方程建立倒立摆的动力学模型,在竖直向上平衡位置处进行线性化,得到近似线性连续状态空间方程... 单级直线倒立摆是一个经典的、复杂的、欠驱动控制系统。模型预测控制作为一种在线优化控制方法善于处理复杂的控制问题。应用拉格朗日动力学方程建立倒立摆的动力学模型,在竖直向上平衡位置处进行线性化,得到近似线性连续状态空间方程,再将其离散化,推导出线性模型预测控制公式。在MATLAB中编写控制程序,仿真结果验证了初始非平衡状态和受到外力干扰两种情况下控制效果均较好,系统可以在较短的时间内达到稳定。为了进一步验证,运用联合仿真的方法,应用ADAMS建立简化的倒立摆的虚拟样机,在Simulink环境中建立模型预测控制程序,得到一致的控制效果。两种仿真结果综合表明,合理选择控制参数,模型预测控制方法能够较快地使欠驱动倒立摆系统稳定,实现不错的控制效果。 展开更多
关键词 倒立摆 模型预测控制 联合仿真
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基于面部倒立摆模型与信息熵的驾驶员疲劳检测 被引量:3
9
作者 李泰国 张天策 +1 位作者 李超 周星宏 《交通运输系统工程与信息》 EI CSCD 北大核心 2023年第5期24-32,共9页
驾驶员疲劳检测的研究有助于降低交通事故的发生。本文提出一种基于面部倒立摆模型与信息熵的疲劳检测方法,首先,采用PFLD(Practical Facial Landmark Detector)模型检测驾驶员面部关键点坐标,并估计用于表示头部姿态信息的Pitch、Yaw以... 驾驶员疲劳检测的研究有助于降低交通事故的发生。本文提出一种基于面部倒立摆模型与信息熵的疲劳检测方法,首先,采用PFLD(Practical Facial Landmark Detector)模型检测驾驶员面部关键点坐标,并估计用于表示头部姿态信息的Pitch、Yaw以及Roll角度值;然后,以关键点坐标为输入建立面部倒立摆模型,计算模型中连杆系统在驾驶员驾驶过程中的动能和势能;之后,以倒立摆模型的动能、势能以及头部姿态数据作为衡量驾驶员疲劳状态变化的指示特征,基于滑动窗口计算各疲劳特征的信息熵值;通过CNN(Convolutional Neural Networks)处理疲劳特征信息熵值,建立信息熵与驾驶员疲劳状态之间的联系;最后,将CNN在各个时间点上的输出作为LSTM(Long Hort-term Memory)网络的输入特征,通过CNN-LSTM模型实现疲劳特征信息熵的分类预测。实验结果表明,所提模型的预测结果达到95.04%,验证了本文方法的有效性。 展开更多
关键词 智能交通 疲劳检测 倒立摆模型 面部关键点 头部姿态
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Computing of LQR Technique for Nonlinear System Using Local Approximation 被引量:1
10
作者 Aamir Shahzad Ali Altalbe 《Computer Systems Science & Engineering》 SCIE EI 2023年第7期853-871,共19页
The main idea behind the present research is to design a state-feedback controller for an underactuated nonlinear rotary inverted pendulum module by employing the linear quadratic regulator(LQR)technique using local a... The main idea behind the present research is to design a state-feedback controller for an underactuated nonlinear rotary inverted pendulum module by employing the linear quadratic regulator(LQR)technique using local approximation.The LQR is an excellent method for developing a controller for nonlinear systems.It provides optimal feedback to make the closed-loop system robust and stable,rejecting external disturbances.Model-based optimal controller for a nonlinear system such as a rotatory inverted pendulum has not been designed and implemented using Newton-Euler,Lagrange method,and local approximation.Therefore,implementing LQR to an underactuated nonlinear system was vital to design a stable controller.A mathematical model has been developed for the controller design by utilizing the Newton-Euler,Lagrange method.The nonlinear model has been linearized around an equilibrium point.Linear and nonlinear models have been compared to find the range in which linear and nonlinear models’behaviour is similar.MATLAB LQR function and system dynamics have been used to estimate the controller parameters.For the performance evaluation of the designed controller,Simulink has been used.Linear and nonlinear models have been simulated along with the designed controller.Simulations have been performed for the designed controller over the linear and nonlinear system under different conditions through varying system variables.The results show that the system is stable and robust enough to act against external disturbances.The controller maintains the rotary inverted pendulum in an upright position and rejects disruptions like falling under gravitational force or any external disturbance by adjusting the rotation of the horizontal link in both linear and nonlinear environments in a specific range.The controller has been practically designed and implemented.It is vivid from the results that the controller is robust enough to reject the disturbances in milliseconds and keeps the pendulum arm deflection angle to zero degrees. 展开更多
关键词 COMPUTING rotary inverted pendulum(RIP) modeling and simulation linear quadratic regulator(LQR) nonlinear system
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限位条件下直轨倒立摆摆起控制量的分析研究
11
作者 侯祥林 朱宸邑 +1 位作者 张凤众 张啸尘 《沈阳建筑大学学报(自然科学版)》 CAS 北大核心 2023年第4期746-753,共8页
目的研究直轨倒立摆在导轨限位条件下摆起控制问题,为倒立摆的摆起控制策略提供参考。方法利用达朗贝尔原理建立倒立摆在导轨限位下倒立摆的系统力学模型,根据现有的倒立摆数据在摆杆处于最低点进行短时加载计算,并从实验观测出发,以摆... 目的研究直轨倒立摆在导轨限位条件下摆起控制问题,为倒立摆的摆起控制策略提供参考。方法利用达朗贝尔原理建立倒立摆在导轨限位下倒立摆的系统力学模型,根据现有的倒立摆数据在摆杆处于最低点进行短时加载计算,并从实验观测出发,以摆起终点为目标,对摆起控制量进行优化。结果对倒立摆系统进行短时加载,倒立摆系统经过14次正反向的加载,成功实现了在6.14 s内对倒立摆系统的摆起控制工作。结论直轨倒立摆在导轨限位条件下,对其进行短时加载,可以实现倒立摆的摆起控制,有效降低了倒立摆系统控制量出现冗余情况,提高了倒立摆系统的摆起控制效率。 展开更多
关键词 直轨倒立摆 限位条件 力学模型 短时加载 摆起控制
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质心径向可变球形机器人多运动模式的运动特性对比研究
12
作者 马龙 《振动与冲击》 EI CSCD 北大核心 2023年第3期255-269,共15页
质心的径向变化使球形机器人具备重摆驱动与倒立摆驱动2种驱动模式,同时质心径向移动使运动状态呈现不同特点。将质心径向变化功能与非结构化环境中的任务需求相融合,对球形机器人实用性提升有重要意义。通过开展球形机器人在不同驱动... 质心的径向变化使球形机器人具备重摆驱动与倒立摆驱动2种驱动模式,同时质心径向移动使运动状态呈现不同特点。将质心径向变化功能与非结构化环境中的任务需求相融合,对球形机器人实用性提升有重要意义。通过开展球形机器人在不同驱动模式、不同运动速度以及不同坡度情况下的运动实验分析,根据实验结果,基于控制系统的收敛速度、超调量、稳定性与响应速度4项控制性能指标、爬坡能力与转向能力2项运动能力指标以及能耗指标,分析总结了倒立摆驱动模式对球形机器人控制性能、运动能力以及能耗水平3类型运动特性产生的影响规律,同时构建了运动特性需求与质心径向位置的关联模型,为面向不同任务需求时质心径向可变球形机器人驱动模式与质心位置的选择提供依据。 展开更多
关键词 球形机器人 倒立摆 质心 运动特性 关联模型
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单腿三维跳跃机器人动力学建模及控制
13
作者 高美妍 许勇 +4 位作者 郑佳乐 李俊楠 张晨阳 施浩然 刘凌霄 《轻工机械》 CAS 2023年第5期22-28,共7页
在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点,课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型,实现了对机器人起跳速度的控制,使可控连续跳跃成为可... 在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点,课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型,实现了对机器人起跳速度的控制,使可控连续跳跃成为可能;基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律,实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制;集成SLIP模型,RWP模型和课题组提出的落地后转向策略,设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法。仿真结果表明:该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃,从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性。 展开更多
关键词 单腿机器人 三维动态跳跃 弹簧加载倒立摆模型 反作用轮倒立摆模型
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云模型在倒立摆控制中的应用 被引量:38
14
作者 陈晖 李德毅 +1 位作者 沈程智 张飞舟 《计算机研究与发展》 EI CSCD 北大核心 1999年第10期1180-1187,共8页
文中提出一种利用云模型有效地实现单电机控制的三级倒立摆动态平衡的方法.通过研究倒立摆系统的定性控制机理,给出了定性和定量之间转换的云模型的形式化表示,用来反映语言值中蕴涵的模糊性和随机性,解释多条定性规则同时被激活的... 文中提出一种利用云模型有效地实现单电机控制的三级倒立摆动态平衡的方法.通过研究倒立摆系统的定性控制机理,给出了定性和定量之间转换的云模型的形式化表示,用来反映语言值中蕴涵的模糊性和随机性,解释多条定性规则同时被激活的不确定性推理过程.研究成果不仅可用于对太空飞行器以及机器人控制。 展开更多
关键词 倒立摆 云模型 定性推理 航空航天器 动态平衡
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基于模糊动态模型的二级倒立摆系统的分析和设计 被引量:11
15
作者 姚宏伟 梅晓榕 +1 位作者 杨振强 庄显义 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2001年第2期224-227,233,共5页
首先给出了一种离散系统模糊动态模型的辨识方法 ,提出了一个衡量聚类有效性的函数 ,以确定模糊规则的数目 .并给出一个保证模糊系统全局稳定的充分条件 ,在此基础上给出了模糊控制系统的设计方法 ,并对二级倒立摆系统进行了控制 。
关键词 模糊动态模型 模糊聚类 二级倒立摆系统 模糊控制系统
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二级倒立摆系统数学模型的建立及意义 被引量:18
16
作者 史晓霞 张振东 +1 位作者 李俊芳 杨屹 《河北工业大学学报》 CAS 2001年第5期48-51,共4页
从刚体运动学角度分析了二级倒立摆系统的运动,并利用有关动力学基础和拉格朗日方程,运用状态空间法对二级倒立摆系统进行数学模型的建立.二级倒立摆系统数学模型的建立对倒立摆和其它类似非线性系统稳定性的研究具有理论指导作用.
关键词 二级倒立摆 建模 刚体运动学 拉格朗日方程 状态空间法 数学模型 稳定控制 连续非线性系统
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不平整地面上双足机器人的步态控制 被引量:5
17
作者 李建 陈卫东 +2 位作者 王丽军 杨军 李慕君 《东南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第S1期129-133,共5页
提出了一种不平地面环境下双足机器人的步行控制算法.该算法由步态规划和传感器反馈控制系统组成.在步态规划中,采用被动倒立摆模型设计双足机器人的质心位置,所生成的步态使机器人能够在平地上更自然有效地稳定行走.在线反馈控制系统... 提出了一种不平地面环境下双足机器人的步行控制算法.该算法由步态规划和传感器反馈控制系统组成.在步态规划中,采用被动倒立摆模型设计双足机器人的质心位置,所生成的步态使机器人能够在平地上更自然有效地稳定行走.在线反馈控制系统用于处理地面环境的凹凸不平以及来自外界的未知扰动,可分为上身姿态控制、期望ZMP控制以及非线性落地控制3个部分.这3种控制分别针对不同的控制目标,并根据步行过程的具体阶段在线修正预先规划好的步态,维持双足机器人的步行稳定性.它们在结构上相互耦合,从而实现加速在线反馈控制系统的收敛速度、克服机器人柔性对控制作用的负面影响等效果.双足机器人在凹凸地面的步行实验验证了所提出步行控制算法的有效性. 展开更多
关键词 双足机器人 步态规划 步态控制 被动倒立摆模型
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倒立摆的模型和控制问题 被引量:5
18
作者 王广雄 张静 +1 位作者 罗晶 许万平 《电机与控制学报》 EI CSCD 北大核心 2004年第3期247-249,262,共4页
小车-倒摆系统常用四阶的运动方程来描述。但如果小车是交流伺服电机来驱动的,交流伺服电机需要和它的控制系统构成一个闭环系统才能工作,使小车的运动受到约束,系统的动态方程退化成为二阶。文中对该系统的特性作了详尽的分析,并指出... 小车-倒摆系统常用四阶的运动方程来描述。但如果小车是交流伺服电机来驱动的,交流伺服电机需要和它的控制系统构成一个闭环系统才能工作,使小车的运动受到约束,系统的动态方程退化成为二阶。文中对该系统的特性作了详尽的分析,并指出这样的实验装置适合于研究二阶不稳定对象的镇定问题。 展开更多
关键词 倒立摆 实验装置 交流伺服电机 数学模型
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直线柔性连接两级倒立摆控制器设计 被引量:8
19
作者 吴昊 秦志强 +2 位作者 朱学峰 向少华 史步海 《控制工程》 CSCD 2003年第6期497-499,共3页
倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的... 倒立摆系统是一个复杂的、非线性的、不稳定的高阶系统。倒立摆的控制一直是控制理论及应用的典型课题。分析了如何利用拉格朗日方程对直线柔性连接两级倒立摆系统建模,采用LQR法设计最优控制器,进行了具体架构以及阐述了此系统设计的控制器在实际物理系统中的实现问题。所设计的控制器对此倒立摆系统成功实施了控制,既证明了系统建模的正确性,也是倒立摆控制中的一项重大突破。相关研究成果将在航天科技及机器人学等领域发挥重要作用。 展开更多
关键词 控制理论 直线柔性连接两级倒立摆 控制器 设计 系统建模
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基于线性二次型最优控制策略的倒立摆实验系统搭建 被引量:8
20
作者 李劲松 颜国正 +1 位作者 冯剑舟 宋立博 《实验室研究与探索》 CAS 北大核心 2010年第3期38-40,60,共4页
以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立... 以自动控制领域典型的实验、教研设备——倒立摆系统作为研究对象,在建立了倒立摆系统数学模型的基础上,采用线性二次型最优策略进行控制,并利用MFC实现了人机交互,自主搭建了一套直线型一级倒立摆实验系统。系统的成功起摆与保持倒立控制的实现,验证了建模的正确性与控制方式的有效性。 展开更多
关键词 倒立摆实验系统 建模 线性二次型最优控制 系统搭建
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