独轮自平衡机器人的设计与控制研究

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1、硕士学位论文题目:独轮自平衡机器人的设计与控制研究研究生王平专业控制理论与控制工程指导教师吕强副教授完成日期2016年03月杭州电子科技大学硕士学位论文独轮自平衡机器人的设计与控制研究研究生：王平指导教师：吕强副教授2016年03月DissertationSubmittedtoHangzhouDianziUniversityfortheDegreeofMasterDesignandControlofaUnicycleSelf-balancingRobotCandidate:WangPingSupervisor:Prof.LuQiangMarch,2016

2、抗州电子科技大学学位论文原创性声明巧使用授权说明原创性声明Ａ，作所取本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下独立进行研巧工得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰■重要贾献的个人和集体，巧已在文中Ｗ明确方式标写过的作品或成果。对本文的研究做出明。一切相关责任论文与资料若有不实么处。申请学位，本人承担日期；＾月日论文作者签名；３ｙ学位论文使用授巧说巧本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研巧生在校攻技大学，读学位期间论文工作的知识产权单

3、位属杭州电子科。本人保证毕业离校后发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复、？内容，可＾允许采用影印印件，允许查阅和借阅论文；学校可公布论文的全部或部分）缩印或其它复制手段保存论文。（保密论文在解密后遵守此规定曰期＾）／＾｜曰论文作者签名：王奉；＞３月Ｉ指导教师签名：曰期；年＾月／曰＾（（｜杭州电子科技大学硕士学位论文摘要近年来，独轮自平衡机器人吸引了国内外越来越多研究学者的目光。独轮自平衡机器人是一个非线性、多耦合、非完整性约束的欠驱动系统，针对该系统的数学模型建立与控制器设计，

4、向来是机器人学以及自动控制领域的难题。本文搭建了独轮自平衡机器人的物理实验平台，建立了相应的系统模型，并就机器人前后、左右方向上的姿态控制问题展开了研究，主要的研究内容如下：（1）实物平台搭建本文中，我们研究并设计了一台采用惯性飞轮结构的独轮自平衡机器人，主要工作包括以下三个部分：一是机器人的机械结构设计，应确保系统整体质量分布合理，以满足机器人自平衡控制的基本条件；二是机器人的硬件电路设计，具体是指主控制器、供电模块、电机驱动器、角度传感器、蓝牙串口通信以及PCB设计等；三是机器人的系统软件设计，指的是下位机端机器人主控程序设计以及用于调整控制参数的上

5、位机软件设计。（2）系统模型建立本文首先分析了独轮自平衡机器人的动态平衡原理：在前后方向上，机器人通过行走轮的加减速运动来调节纵向平衡。在左右方向上，机器人则由惯性飞轮加速旋转形成反向力矩来补偿侧向倾斜。因此，独轮自平衡机器人可以抽象成左右方向上的飞轮倒立摆以及前后方向上的一级直线倒立摆。在此基础上，我们运用Lagrange方程分别建立机器人在纵向和侧向上的系统模型。（3）有限时间姿态控制器设计本文就独轮自平衡机器人前后（俯仰轴）、左右（横滚轴）方向上的姿态控制问题，提出了一种连续的有限时间控制策略。目前，对于独轮自平衡机器人的姿态控制，国内外的研究学者

6、在控制器设计方面大多倾向于应用滑模控制理论。但是由于滑模控制器存在切换函数，是非连续的，在实际应用中，会不可避免出现“抖振”问题。因此，我们分别设计了机器人前后、左右方向上连续的有限时间控制器，并通过理论推导，证明了机器人系统能在有限时间内收敛。同时，仿真结果进行对比表明，连续的有限时间控制器相对于滑模控制器，能有效的避免“抖振”问题。关键词：独轮自平衡机器人、系统建模、姿态控制、Lagrange方程、有限时间控制策略I杭州电子科技大学硕士学位论文ABSTRACTRecently,unicycleself-balancingrobotshaveattra

7、ctedmuchattentionfromdomesticandforeignresearchers.Unicycleself-balancingrobotsareaclassofnonlinear,multi-coupling,nonholonomic,andunderactuatedsystemswhosemodelingandcontrollerdesignareanimportantprobleminthefieldofroboticsandautomaticcontrol.Inthisthesis,aunicycleself-balancing

8、robotisbuilt,andthecorrespondingdynamicm