基于动力学模型的轮式移动机器人电机控制

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两轮差速驱动移动机器人运动模型研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：***指导教师：王牛博士专业：控制科学与工程学科门类：工学重庆大学自动化学院二O一三年四月Motion Modeling of Two-wheel DifferentialDrive Mobile RobotA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMaster’s Degree of EngineeringByMa QinyongSupervisor by Dr. Wang niuSpecialty: Control Science and EngineeringCollege of Automation ofChongqing University, Chongqing, ChinaApril 2013摘要两轮差速驱动移动机器人结构简单，控制方便，是应用最为广泛的一种移动机器人，其运动模型是移动机器人研究的重要内容。

目前，关于两轮差速驱动移动机器人的相关研究中常常忽略了包括移动机器人底层驱动电机动态性能在内的相关动力学因素，但在实际机器人系统中，由于机器人载重等变化会引起驱动系统负载发生变化，从而影响驱动系统的动态响应过程，导致机器人的运动状态发生改变。

而两轮差速驱动移动机器人是一个多输入多输出的控制系统，其运动学模型具有典型的非完整约束，各驱动回路往往采用内部带有非线性环节的双闭环控制系统，是一种具有多个非线性环节的非线性系统，必须采用非线性建模方法建立模型，因此建立考虑移动机器人动力学行为的两轮差速驱动移动机器人运动模型，对于机器人运动的精确描述和控制具有十分重要的理论和实际意义。

基于以上思考，本文采用“类等效”建模方法建立了两轮差速驱动移动机器人运动模型，主要研究工作如下：①提出了基于“类等效”建模方法的两轮差速驱动移动机器人运动模型。

轮式机器人运动控制算法优化研究

轮式机器人运动控制算法优化研究1、引言轮式机器人在现代工业和军事中具有非常广泛的应用。

然而，其运动控制算法的优化一直是一个研究热点，并且涉及到很多方面的问题。

本文主要探讨轮式机器人运动控制算法的优化研究。

2、轮式机器人的控制系统轮式机器人的控制系统包括运动控制、传感器输入、实时处理和通信等部分。

其中，运动控制是最重要的一部分，即为轮式机器人提供精准的运动控制信号。

轮式机器人的运动控制可以分为速度控制和位置控制两个方面。

3、轮式机器人的速度控制轮式机器人的速度控制包括直线行驶控制和转弯控制两个部分。

直线行驶控制中，需要测量轮子的转速，并将其与前进方向上的期望速度进行比较。

然后，根据差距控制驱动轮子的转速，使其向期望速度靠近。

转弯控制中，则需要控制两侧轮子的转速比例，以实现预定的曲线轨迹。

4、轮式机器人的位置控制轮式机器人的位置控制可以通过PID控制器实现。

该控制器可以根据轮子的位置信息来计算误差，并调整马达的输出控制信号，使其达到期望值。

因此，轮式机器人的位置控制不仅需要定位传感器的准确性，还需要选择合适的PID参数。

5、轮式机器人运动控制算法的优化在实际应用中，轮式机器人的运动控制算法需要考虑到各个方面的问题，例如：控制精度、抗干扰能力、能源消耗等。

因此，轮式机器人运动控制算法的优化是非常必要的。

5.1 控制精度优化轮式机器人的控制精度直接影响到其工作效率和稳定性。

因此，调整PID参数和优化轮子转速控制算法等措施都是提高控制精度的有效方法。

同时，琢磨合适的控制器同步策略可以对算法效率起到显著作用。

5.2 抗干扰能力优化轮式机器人在实际运动过程中，会受到外部环境的各种影响，例如：摩擦力、重力等。

这些影响会给控制器带来噪声，并干扰其正常控制过程。

因此，针对不同的干扰源，我们可以采取一些抗干扰措施，例如：差分控制和非线性控制等。

5.3 能源消耗优化轮式机器人通常需要长时间工作，虽然机器人性能不断优化，但仍会受到电量持久的问题。

轮式移动机器人运动学基础,自由度计算

轮式移动机器人运动学基础,自由度计算
轮式移动机器人的运动学基础包括轮式移动机器人的运动学模型、运动学约束和运动学控制等方面。

其中，自由度计算是其中比较重要的一部分。

首先，轮式移动机器人的运动学模型可以分为非完整模型和完整模型。

其中，非完整模型指的是机器人的所有约束都不完整，例如，机器人在运动时可以在任
意方向上运动；而完整模型指的是机器人的所有运动都受到一定的限制，例如，机器人在运动时只能沿着特定的路径运动。

其次，轮式移动机器人的运动学约束还包括机器人的几何约束和运动约束。

其中，几何约束指的是机器人在运动时必须满足的形态约束，例如，机器人在运动时必须保持平稳；而运动约束指的是机器人在运动时必须满足的运动约束，例如，机器人在运动时必须按照预定的运动路径运动。

最后，轮式移动机器人的运动学控制包括轮式移动机器人的动力学控制和运动学控制。

其中，动力学控制指的是机器人在运动时要满足机器人的动力学约束，
例如，机器人在运动时必须保持平稳；而运动学控制指的是机器人在运动时要满足机器人的运动学约束，例如，机器人在运动时必须按照预定的运动路径运动。

综上所述，轮式移动机器人的运动学基础涉及到轮式移动机器人的运动学模型、运动学约束和运动学控制等方面，其中，自由度计算则是其中比较重要的一部分。

机器人运动学与动力学分析及控制研究

机器人运动学与动力学分析及控制研究近年来，机器人技术一直在飞速的发展，机器人的使用越来越广泛，特别是在工业领域。

随着机器人的发展，机器人运动学与动力学分析及控制研究变得越来越重要。

本文将介绍机器人运动学、动力学分析与控制研究的现状以及未来发展趋势。

一、机器人运动学分析机器人运动学分析主要研究机器人的运动学特性，包括机器人的姿态、速度以及加速度等方面。

机器人运动学分析的目的是确定机器人的运动学参数，同时确定机器人工作空间的大小。

机器人运动学分析的方法主要有以下几种：1、直接求解法。

直接求解法是指通过物理意义来推导机器人的运动学方程。

这种方法计算效率较低，但是精度较高。

2、迭代法。

迭代法是通过迭代计算机器人的运动学方程，精度较高，但是计算效率较低。

3、牛顿-拉夫森法。

牛顿-拉夫森法是一种求解非线性方程组的方法，可以用于求解机器人运动学方程。

此方法计算速度比较快，但是相对精度较低。

机器人运动学分析的结果可以用于机器人的路径规划，动力学分析以及控制研究。

二、机器人动力学分析机器人动力学分析主要研究机器人的动力学特性，包括机器人的质量、惯性矩以及外力等方面。

机器人动力学分析的目的是确定机器人的动力学参数，同时确定机器人的力/力矩控制器和位置/速度控制器。

机器人动力学分析的方法主要有以下几种：1、拉格朗日方程法。

拉格朗日方程法是一种描述机器人运动的数学方法，可以用于求解机器人的动力学方程。

此方法计算效率较低，但是精度较高。

2、牛顿-欧拉法。

牛顿-欧拉法是机器人动力学分析中的一种方法，一般用于计算运动学链中的运动学角速度和角加速度，并根据牛顿和欧拉定理将牛顿和欧拉方程转换为轨迹方程。

此方法计算速度较快，但是精度相对较低。

机器人动力学分析的结果可以用于机器人的力/矩控制器的设计，位置/速度控制器的设计以及控制研究。

三、机器人控制研究机器人控制研究主要研究机器人的控制算法，包括力控制算法、位置/速度控制算法、逆动力学算法等方面。

非完整移动机器人的反步跟踪控制方法

（国防科大机电工程与自动化学院，湖南长沙，１０３４０７）
摘要：移动机器人是典型的非完整系统，对其进行运动控制是一个热点且是一项具有挑战性的工作。目前的大部分研究都是基于运动学模型的，而在实际应用中，动力学特性不可忽视。针对轨迹跟踪这一典型控制任务，中对一种轮式移动机器文人进行了动力学建模。利用反步技术，提出了一种控制结构，合了速度控制器和力矩控制器。该控制律不但能够得到稳综定跟踪所需要的速度，而且同时能够计算出驱动移动机器人行进的电机力矩。仿真结果表明，该控制律可以良好地工作。
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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

机器人控制中的动力学建模方法

机器人控制中的动力学建模方法动力学建模是机器人控制领域中的重要研究内容之一。

它是为了研究机器人在空间中的运动和力学特性而进行的理论与实践探索。

在机器人控制中，通过对机器人系统进行动力学建模，可以更好地理解机器人运动规律，并为实现精确控制和路径规划提供理论和工具。

本文将介绍机器人控制中常用的动力学建模方法。

一、拉格朗日动力学建模方法拉格朗日动力学建模方法是机器人控制中常用的一种建模方法。

它基于拉格朗日力学原理，通过描述机器人系统的动能和势能之间的关系，建立机器人的动力学方程。

通过动力学方程，可以计算机器人在给定力和输入条件下的状态变化。

拉格朗日动力学建模方法的基本步骤如下：1. 定义机器人系统的广义坐标和广义速度。

2. 计算机器人系统的动能和势能，得到拉格朗日函数。

3. 根据拉格朗日函数，推导出机器人系统的拉格朗日方程。

4. 化简拉格朗日方程，得到机器人的动力学方程。

通过拉格朗日动力学建模方法，可以得到机器人系统的动力学方程，进而进行控制器设计和模拟仿真。

二、牛顿-欧拉动力学建模方法牛顿-欧拉动力学建模方法是另一种常用的机器人动力学建模方法。

它基于牛顿定律和欧拉动力学方程，描述机器人系统的运动学和动力学特性。

与拉格朗日动力学建模方法相比，牛顿-欧拉动力学建模方法更直观且易于推导。

牛顿-欧拉动力学建模方法的基本步骤如下：1. 定义机器人系统的连接关系和坐标系。

2. 推导机器人的运动学方程，包括位置、速度和加速度之间的关系。

3. 根据牛顿定律和欧拉动力学方程，得到机器人系统的动力学方程。

4. 化简动力学方程，得到机器人的运动学和动力学模型。

通过牛顿-欧拉动力学建模方法，可以得到机器人系统的运动学和动力学模型，并基于此进行控制器设计和性能分析。

三、混合动力学建模方法除了上述的拉格朗日动力学建模方法和牛顿-欧拉动力学建模方法，还有一些混合动力学建模方法被广泛应用于机器人控制中。

这些方法结合了不同的数学工具和物理原理，旨在更准确地描述机器人系统的动力学特性。

轮式移动机器人轨迹跟踪控制的特点与方法

中图分类号：Ｐ４Ｔ２２文献标识码：Ａ文章编号：０７９１（０Ｉ—０８２１０ —４６２１１１１－１００
１、前言
由于具有操作快捷、控制简单，并且节省能量等特点，轮式移动机器人成为了用途最广泛的一类移动机器人。近些年来对轮式移动机器人的研究越来越得到关注。轮式移动机器人控制的两个主要问题是：轨迹跟踪控制和点稳定控制。虽然点稳定控制问题在理论上很难解决，但是在实践中的应用并不广泛。式移动机器人的控制轮算法通常是在一个预先设定好的无障碍的路径的基础上工作的。因此，在实际上轨迹跟踪控制问题得到了广泛的关注。移动机器人的轨迹跟踪控制问题是控制机器人跟踪一个给定的、时变的轨迹。一般来说，目的是使机器人能够在每一个采样周期上以特定的姿态其
控制算法。出的离散控制算法克服了以往的基于时间连续模型所提设计的连续控制器在数字控制器上执行所需的小采样周期的问题。２２动力学轨迹跟踪控制．在机器人速度较低且载重不大的情况下，基于运动学模型设计的控制策略可以得到比较满意的控制效果。然而在机器人高速的运动或高负重运动的情况下，只考虑运动学问题而忽略了动力学方程中的系统质量和惯性会使得控制效果不理想。因此，在这种情况下在移动机器人的轨迹跟踪控制中基于动力学方程设计的控制器会取得更好的控制效果。文献【提出了一种自适应非线性控制器，３］并且通过实验验证了该控制方法的有效性。在文献［］４中一种指数滑模控制方法被提出，该方法具有很好的鲁棒性。２３移动机器人轨迹跟踪控制中常见的问题．以上提出的控制方法大都是基于理想情况所设计的。但是在实际中往往不能满足此理想情况。些时候特别是当载重运输时，有机器