两轮机器人自平衡研究(优质参照)

两轮同轴机器人的自平衡控制研究

一
个惯性基准，感知两轮同轴机器人位姿和倾角，进行平衡协调；通过ＰＩ调节和卡尔曼滤波，实现机器人轮子转速控制和平衡杆Ｄ
平衡控制ＰＩ调节Ｄ
的平衡控制的有机统一。［键词］轮同轴机器人关两
［图分类号］中ＴＫ４２ｌ
［献标识码】文Ａ
［章编号】０７４ｌ（０００－００－０文１０－９６２１）７ｌ５２
１引言
目前现有的机器人或短距离运输工具都以四轮传动机构作为动力系统，其劣势在于系统的占地面积较大、行动不够灵活。而两轮同轴机器人以两轮同轴直立移动，减小了占地面积，可以实现零半径转弯的运动，移动灵活。两轮同轴机器人占地面积小，为狭小危险空间下进行数据采集或现场勘测提供了有利
杆的摆动，实现机器人轮子转速控制和平衡杆的平衡控制的有机统一，简化控制逻辑。两轮同轴机器人实体结构如图ｌ所示。
条件。两轮同轴机器人是一种特殊轮式移动机器人，其动力学方程是多变量、严重不稳定、耦合、时变、参数不确定的非线性高阶方程［］加上运动学方程中的非完１，整性约束，要求完成的控制任务也具应速度。加速度计选用采用ＡＤ公司生产的线性ＰＷＭ输出加速度传感器ＡＤＸＬ３０ＡＤＸＬ３０利用微传３，３感器感知三维的加速度，将得到的三维交

两轮机器人自平衡研究ppt课件

车辆本身的自动平衡能力。以内置的
精密固态陀螺仪（Solid-State
Gyroscopes）来判断车身所处的姿势
状态，透过精密且高速的中央微处理
器计算出适当的指令后，驱动马达来
做到平衡的效果。如右图所. 示：
3
2、两轮自平衡车的运动
由于两轮自平衡电动车的两轮结构，使得它的重心在上、支点在下，故在非控制状态（或静态）下为一不稳定系统。然而，可以利用倒立摆系统的控制原理，通过微处理器的控制使它能够如倒立摆一样稳定在一个平衡位置处，并能在保持平衡的状态下按照使用者的指令要求正常运行。两轮自平衡电动车实际上是一级直线式倒立摆和旋转式倒立摆的结合体，它的控制原理与倒立摆系统的基本一致。更形象地说，自平衡电动车的工作原理更像人行走的过程。
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四、陀螺仪（gyroscope）
陀螺仪（gyroscope），是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成。陀螺仪一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪多用于导航、定位等系统。
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1、陀螺仪的原理
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五、两轮机器人姿态检测
两轮自平衡机器人所有的运动控制方式都以平衡控制为前提。平衡控制是两轮自平衡机器人运动的关键。两轮自平衡机器人在平衡控制的基础上，又对机器人的轨迹跟踪控制进行了研究。提出了预测控制的轨迹跟踪控制方法，对非完整轮式移动机器人的轨迹跟踪问题进行了研究。预测控制在系统模型的基础上采用先预测后控制，滚动优化，反馈校正的方式进行控制，对位姿误差与轨迹误差进行估计，实现了对预定轨迹的准确跟踪。
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7

两轮机器人在坡面上的运动平衡控制

Ｍｏｔｉｏｎｂａｌａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄｒｏｂｏｔｏｎｓｌｏｐｅｓ
ＲＵＡＮＸｉａｏ — ｇａｎｇ，ＬＩＹａ— ｌｅｉ，ＺＨＵＸｉａｏ — ｑｉｎｇ
０引言
制。２００６年，韩国的ＫｉｍＹ运用牛顿力学的方法族中的一员，两轮机器人的平衡问题类似于倒立摆的平衡问题，不同的是，倒立摆只能在二维空间中运动，而两轮机器人是可以在三维空间
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传感器与微系统（ＴｒａｎｓｄｕｃｅｒａｎｄＭｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）
２０１４年第３３卷第３期
两轮机器人在坡面上的运动平衡控制
阮晓钢，李亚磊，朱晓庆
种非线性ＰＤ控制器。与传统的线性ＰＤ控制器进行仿真实验对比，实验结果说明：在响应速度、稳定性、鲁棒性方面，非线性ＰＤ控制有着更好的效果。最后，在姿态平衡控制中加入速度控制，构成双环的ＰＤ控
制，实现了两轮机器人在坡面上的静态平衡。关键词：两轮机器人；坡面；动力学建模；非线性ＰＤ控制中图分类号：ＴＰ２４２．６文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９７８７（２０１４）０３－００４４－０４
（ＩｎｓｉｔｔｕｔｅｏｆＡｒｔｉｉｆｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄＲｏｂｏｉｔｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１２４，Ｃｈｉｎａ）

两轮自平衡机器人的LQR和PID实验

用以在线学习两足机器人的平衡控制的CTRNN和BPTT算法的即时实现：站立姿态实验摘要：为了学习机器人控制规则，本文描述了CTRNN算法和BPTT算法的即时实现实验的结果。

实验的目的是为了控制一个两足步行机器人模型在站立姿态下保持平衡。

机器人通过神经控制器控制其关节运动来补偿外界扰动的影响。

在机器人的即时电子单元中嵌入程序算法。

同时，文中详细介绍了在线学习的实现。

最后，实验结果的学习行为和控制性能证明了所提方法的可行性和效率。

1、介绍随着技术的发展，人们得以将来自人体或动物形体的启发应用于机器人制作。

因此，最新的仿人机器人是一种集成了高端机械技术与电子技术的复杂系统。

这些机器人具有完整的感知系统，能够进行人机交互，且能够在人们的日常生活环境中运动。

如何控制机器人在行走或站立时的平衡是控制仿人机器人的一大难题。

解决这一问题的一种方法是根据零力矩点理论设计控制器；另一种方法是利用仿生控制器，即具备适应能力，且能够通过训练获得所需反应的方法。

为了能够了解如何“正确”控制机器人保持平衡，利用诸如神经网络等仿生架构是一个很有希望的途径。

为此，人们在过去提出了几个基于神经元控制器的设想。

其中，Albus（1975）在1975年提出的小脑模型关节控制器（CMAC）设想在控制腿式机器人领域仍为人们所研究。

近期的研究主要涉及CMAC的建模及其泛化性能（Horvath&Szabo,2007），或是CMAC与其他诸如模糊逻辑（Su，Lee&Wang,2006），计算力矩控制（Lin&Chen,2007）等的联系。

CMAC 已被应用于控制两足步行机器人的平衡（Kun&Miller,1996）、鲁棒动态行走仿真（Lin&Chen,2007）及两足步行机器人实验（Sabourin&Bruneau,2005）等领域。

多年以来，循环神经网络（即动态神经网络）在复杂系统的控制领域被广泛研究（Marcua,Köppen-Seligerb,&Stücher,2008;Song&Tahk,2001）。

自平衡两轮移动机器人的LQR控制策略研究

自平衡两轮移动机器人是一种类似于倒立摆的轮式移动机器人 …，垂直位置，角小于４１。，近似为线性系统，以在倾－０时可所对自平衡两轮移动机器人的控制可以采用线性控制方法］由。于该机器人在控制上的复杂性和技术实现上的难度，很适合作为各种控制理论和方法研究的试验平台。本文设计的自平衡两轮移动机器人，格低廉，部自行制价全
机有：流电机、流元刷电机和步进电机，着设计成本低，直直］本
作，以进行各种创新性实验，有很好的理论研究价值，是可具也个很好的锻炼动手能力的平台。器人采用电机驱动，般由机一
模的合理有效性。
关键词：自平衡机器人，学建模，数最优控制器，ＡＬＢ仿真ＭＴＡ
Ａｂｔａｃｓｒｔ
ＴｄＰＩ０Ｆ１１ｈｅｓＣ３４０ａｓｈｅｏｔｏｃｐ，ｅｏｍｅｔｃｎｒｌｈｉｔｈｈｍａｄｅｔｔｅｏｒｅｎｏｒ，ｒｓｏｐｅｎｄｏｍｅｍａｄｍｏｏｒｉｓｎｓｓｓｓｇｙｏｃｌａｈｅｔｅｎｏｄｅｔｃｒｏｃｏｐｏｅｔｅｍｓｈｄｅｅｃｉｇｙｔｍ，ｃｈａｐｗｏ— ｔｔｓｓｅｔｎｈｅｅｔｗｈｅｅｓｅｆｅｌｄｌ —ｂａｌｃｎａｎｉｇｍｏｂｉｒｏｓｌｏｂｔｉｄｅｓｇｎｅｉｅｄ，ｑｕｉｓｔｏｉｔｔｕｉｔｂｅｅｓａｎｅｘ — ｐｅｒｅｔａｆｒｉｎｐｌｔｏｍｏａｒｕｓｏｎｒｌｅｈｍｆｖｉｃｔｏｍｔｏｄｓＡｃｃｄｉｇｏｔｅｏｂｏｐａａｅｅｒａｄｏｉ，ｏｏｒｏ．ｏｒｎｔｈｒｔＳｒｍｔｓｎｍｔｍｔｍｏｄ，ｏｎｅｌｗｈｅｍｏａｎｅｌｄｅｌｄｆｗａｒｍｏａｅｏｒｄｄｅｌｒｄｅｉｅｄｙｍｉｌｏａｅｓｇｎｄ，ｎａｃａｍｄｅｌｒｂｕｌａｏｂａｎｈｂａｌｃｎｆｗａｒｓｓｅｍｓａｅｐａｅｐｒｓｉｎ，ｉ，ｎｄｔｔｉｔｅａｎｉｇｏｒｄｙｔＳｔｔｓｃｅｘｅｓｏｄｅｓｇｎｔｅＱＲｔｍａｌｃｔｏｌｒｇｅｈｘｐｅｔｂａａｃｉｒｕｔｂｙｉｈＬｏｐｉｏｎｒｌ，ｔｔｅｅｅｃｅｄｌｎｎｇｅｓｌｓｍａｋｎｔｅｉａｉｅｅｒｅｔｔＭＡＴＬｉｇｈｓｍｕｌｔｏｎｘｐｉｎｓｗｉｍｈＡＢ．Ｋｗｏｄｓｓｆａｌｃｉｏｂ，ａｈｍａｉａｌｍｏｅｙｒ：ｅｌ－ｂａｎｎｇｒｏｔｔｅｔｄｅｌｉｎｒｌ，ＡＴＬｍｃ，ｍａｌｃｏｔｏｌＭｏｐｔｅｒＡＢＳｉｕａｉｎｍｌｔｏ

两轮机器人自平衡行走控制系统设计

电气传动２０１３年第４３卷第１２期
ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥ２Ｏ１３Ｖｏ１．４３Ｎｏ．１２
两轮机器人白平衡行ห้องสมุดไป่ตู้ 控制系统设计
胡凌燕，万鹏，刘小平，徐少平，徐刚，陈明伟，高青（南昌大学信息工程学院，江西南昌３３００３１）
速度及倾角这两个耦合变量的控制，而且具有较强的抗干扰能力。该控制方法还具备了传统ＰＩＤ控制器不依赖精确模型、实现简单、参数整定方便、鲁棒性强等优点。关键词：两轮机器人；双回路ＰＩＤ控制；卡尔曼滤波；平衡控制中图分类号：ＴＰ１３文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄｒｏｂｏｔｉｓａｍｕｌｔｉ－ｖａｒｉａｂｌｅ，ｈｉｇｈｅｒ－ｏｒｄｅｒｎｏｎ — ｌｉｎｅａｒ，ｓｔｒｏｎｇｃｏｕｐｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ａｎｏｖｅｌｄｏｕｂｌｅ－ｌｏｏｐＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｔｗｏ — ｗｈｅｅｌｅｄｒｏｂｏｔｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅａｌ — ｔｉｍｅｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｏｆｒｏｂｏｔｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｆｕｓｉｎｇｔｈｅｇｙｒｏｓｉｇｎａｌｗｉｔｈａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓｉｇｎａｌｗｉｔｈａＫａｌｍａｎｉｆｌｔｅｉｎｒｇｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｓｐｅｅｄｏｆ山ｅｒｏｂｏｔｗａｓｍｅａｓｕｒｅｄｗｉｔｈｅｎｃｏｄｅ￣．ＴｈｅｄｏｕｂｌｅｌｏｏｐＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｏｍｂｉｎｅｄｐｏｓｉｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋｗｉｔｈｎｅｇａｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｔｈｅｓｕｍｏｆｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎｎｅｇａｔｉｖｅｆｅｅｄｂａｃｋａｎｄｓｐｅｅｄｐｏｓｉｔｉｖｅ￣ｅｄｂａｅｋｗｅｒｅｏｕｔｐｕｔｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｒｏｂｏｔｂｌａａｎｃｅａｎｄｗａｌｋｉｎｇｗｉｔｈａｃｅｒｔａｉｎｅｘｐｅｃｔｅｄｓｐｅｅｄ．Ａｃｔｕｌａｅｘｐｅｉｍｅｒｎｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｏｕｂｌｅ－ｌｏｏｐＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｃａｎｍａｋｅｔｗｏ — ｗｈｅｅｌｅｄｒｏｂｏｔｗａｌｋｉｎｇｓｍｏｏｔｈｉｎａｃｃｏｒｄａｎｃｅｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｓｐｅｅｄａｎｄｈｅｔｓｙｓｔｅｍｈａｓａｇｏｏｄａｎｔｉ．ｉｎｔｅｆｒｅｒｅｎｃｅｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ．ＴｈｅｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄａｌｓｏｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎｌａＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｗｈｉｃｈｄｏｅｓｎｏｔｒｅｌｙｏｎａｎａｃｃｕｒａｔｅｍｏｄｅｌ，ｅａｓｙｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｔｔｉｎｇ，ａｎｄｈａｓｓｔｒｏｎｇｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｗｏ — ｗｈｅｅｌｅｄ；ｄｏｕｂｌｅ — ｌｏｏｐＰＩＤ；Ｋａｌｍａｎｉｆｌｔｅｒ；ｂｌａａｎｃｅｃｏｎｔｒｏｌ

基于Accodometry法的两轮自平衡机器人位置估计研究

ｔｎｄｔｒｉａｉｎａｃｒｃｓｉｃｅｓｄＴｈｘｅｉｅｔｄｍｏｓｒｔｓｔｅｅｆｃｉｅｅｓｏｈｃｏｏｅｉｅｅｍｎｔｃｕａｙｉｎｒａｅ．ｏｏｅｅｐｒｎｅｎｔａｅｈｆｅｔｖｎｓｆｔｅａｃｄｍ — ｍｔｙａｐｏｃ．Ｅｘｅｉｎａｅｕｔｈｗｈｔｔｅａｃｄｍｅｒｒｏｓａｏｔｆｕｉｓｓａｌｒｔａｈｒｐｒａｈｐｒｍｅｔｌｒｓｌｓｓｏｔａｈｃｏｏｔｙｅｒｒｉｂｕｏｒｔｍｅｍｌｈｎｔｅｅｏｏｅｒ — ｎｙｅｒｒｄｍｔｙｏｌｒｏ．
ｒｂｔｐｓｔｏｓｉａｉｎｉｓｌｅ．Ｔｈｌｅｆｃｓｏｃｅｅｏｔｒｉｈｒｎｒｆｒｌｉａｅ．Ｔｈｏｉｏｏｏｉｎｅｔｉｍｔｏｖｄｏｓｅｉ－ｆｅｔｆａｃｌｒｍｅｅｎｅｅｔｄｉｔｅｅｉｎｔｄｌａｍｅｐｓ—
Ｋｅｒｓａｃｄｍｅｒｔｏｙｗｏｄ：ｃｏｏｔｙｍｅｈｄ；ｔｏｗｈｅｅｅｆｂｌｎｅｏｏ；ｄｔｕｉｎｏｉｏｓｉｔｎ；ｏｏｅｒｗ－ｅｌｄｓｌａａｃｄｒｂｔａａｆｓｏ；ｐｓｔｎｅｔ－ｉｍａｉｏｄｍｔｙ
用陆标、声纳等绝对定位系统进行外部测量，无界对
的累积误差进行修正．安装绝对定位系统将提高机
器人系统的成本，此需要提高测程法与传感器精因度减少使用绝对定位系统的密度和修正的次数，提高系统响应的实时性，降低成本提高定位精度Ｌ］３．

两轮小车自平衡控制系统的研究与设计

两轮小车自平衡控制系统的研究与设计
随着传统交通工具带来的能源危机、交通拥堵、环境污染等问题日益凸显,人们对新型交通工具的需求日益迫切。

两轮自平衡小车体积小、方便携带,并且采用电池供电不会产生尾气,是现今交通运输领域研究的重点。

同时,两轮自平衡小车是动态稳定的系统,它有着强耦合、非线性、欠驱动、多变量的特点。

因此可以在两轮自平衡小车这个平台上对各种控制算法进行验证,具有一定的理论研究意义。

在两轮自平衡小车领域国内外研究现状的基础上,本文对小车的姿态角检测和自平衡控制进行了研究。

首先,采用牛顿力学原理对小车的车轮、车身和电机分别建立数学模型,并根据三者之间的关系建立小车整体系统的模型。

然后,对小车模型在平衡位置进行线性化,得到简化模型。

对简化的模型进行能观性和能控性分析并采用PID控制理论对小车系统设计平衡控制器。

小车的姿态角包括车身倾角和偏航角,它是小车控制器设计的重要变量,因此姿态角的准确性显得尤为重要。

在本文中使用四元数来描述姿态角,并且对微机电系统(MEMS)采集到的数据利用扩展卡尔曼滤波(EKF)原理进行融合,得到更为准确的姿态角。

最后,对小车各个模块选择相应的芯片,组装小车实体模型。

对两轮自平衡小车的驱动电路、主控电路、检测电路、无线通信电路进行设计,并对各部分编写程序,使小车能够正常工作。

在Matlab中对小车PID控制以及EKF数据融合进行了仿真分析,结果表明小车的PID控制器能够很好的对小车稳定控制,而利用EKF融合使得小车姿态角则更加准确。

在搭建的两轮自平衡小车实物展示中,小车能够保持良好平衡控制效
果。