机器人技术基础结课报告单球自平衡移动机器人运动控制和稳定平衡控制系统设计.docxVIP

机器人技术基础结课报告学院：电气工程与自动化学院题目：单球自平衡移动机器人的运动控制和稳定平衡控制系统设计班级：自动化132班学号：14学生姓名：蔡一能指导老师：刘飞飞 2016年5月27日摘要近年来，球形机器人成为机器人领域的研究热点之一。球形机器人的种类较多，形状各异。有的球形机器人是具有球形外壳，所有机械结构、控制器件和能源供给部件均密封在球壳之内。这种球形机器人具有摩擦小、耗能低、结构紧凑、空间利用率高、密封性好、防尘、防震、不易跌倒、可以实现全向滚动等优点。与传统的移动机器人，如轮式、脚式和履带式机器人等相比，具有良好的发展潜力，在军事、交通、监控、搜救、玩具、娱乐等领域具有广泛的应用前景。本项目研究另一种独特的球形机器人，称为单球自平衡移动机器人，又名单球轮移动机器人。单球自平衡移动机器人是一种全新概念的移动机器人，可以在单一的球形驱动轮上达到动态稳定，并且能够通过球形驱动轮灵活、全方位的进行移动，是一种具有动态稳定性的移动机器人。移动机器人按移动机构划分主要有轮式、履带式、腿式、蛇形式、跳跃式和复合式[1]。不同驱动形式的移动机器人根据各自的特点都有各自相应的应用场合，其中履带式机器人由于接地压力小的特点，在松软的地面附着性能和通过性能好，适用于爬楼梯、越障；腿式机器人可以满足某些特殊的性能，能适应复杂的地形；蛇形式和跳跃式机器人一般在复杂环境、特殊环境和机动性等方面具有其独特的优越性。这些机器人虽然在各自的应用领域都有很大的优势，但是却都有着一个共同的弊端——无法进行灵活自由的转向和全方位的移动，在与人协作时，不能快速的跟随人的动作对运行方向做出改变，从而限制了人机协作的应用场合。倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。关键字：球形机器人，稳定性，倒立摆第一章绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1课题背景由于单球自平衡移动机器人的动力学特性是一种复杂的、非线性系统，建立力学模型的传统方法难以适用；单球自平衡移动机器人的高耦合、复杂的非线性特性，也使得单球自平衡移动机器人的控制成为富有挑战性的研究课题，因此，单球自平衡移动机器人的驱动和控制是当前研究的热点。移动机器人按照静态平衡性可分为两种类型：静力学上的稳定平衡型和不稳定平衡型。前者往往是指具备三个（或三个以上）轮子的机器人，后者多为只有两个或一个轮子的机器人。对于只有一个（或两个） 轮子的机器人，在静止状态下不能稳定平衡，若要其稳定移动必须采用动态平衡技术， 称之为动态平衡移动机器人或自平衡机器人。自平衡机器人，最显著的一般特征为质心高于支点，在重力作用下机身姿态本身不稳定，在运动中需要自身控制姿态维持平衡。典型的自平衡机器人有：人型机器人、独腿机器人、两轮自平衡机器人、独轮自平衡机器人等。1.1.2课题研究意义本项目的研究对象是单球自平衡移动机器人，该机器人是一种依靠圆球体进行移动的机器人，通过圆球体的滚动来实现全方位的移动，可以在狭窄区域中进行灵活的工作。实用性上，该种机器人具有以下几个优点：1）以圆球体为支撑，不需要改变方向便可以灵活的向各方向移动；2）运动轨迹灵活，可以任意半径改变自己的运动方向，能很好的弥补传统多轮布局的缺点；3）所需要的驱动功率较小，供电电池可以长时间供电。结构上，由于单球自平衡移动机器人与地面的只有一个接触点，所以不能保持静态稳定，只能处于动态的平衡当中，是一种典型的自平衡机器人，其动力学方程是一个多变量、强耦合、时变的非线性高阶微分方程组，特性复杂。同时，这种机器人系统还具有多自由度、多驱动器、多传感器的特点，是一个极为复杂的多输入多输出非线性系统，再加上其欠驱动的系统特性，可以为各种控制理论的应用和优化提供理想的研究平台。对单球自平衡移动机器人进行研究，不仅对于实现机器人与人之间灵活的人机交互有很大的现实意义，也对先进控制理论的研究具有重大的促进作用。1.1.3单球自平衡移动机器人的国内外发展移动机器人按照静态平衡性可分为两种类型：静力学上的稳定平衡型和不稳定平衡型。前者往往是指具备三个（或三个以上）轮子的机器人，后者多为只有两个或一个轮子的机器人。对于只有一个（或两个）轮子的机器人，在静止状态下不能稳定平衡，若要其稳定移动必须采用动态平衡技术（Dynamic Balance），称之为动态平衡移动机器人或自平衡机器人（Self-Balancing Robot）。自平衡机器人，最显著的一般特征为质心高于支点，在重力作用下机身姿态本身不稳定，在运动中需要自身控制姿态维持平衡。典型的自平衡机器人有：人型机器人（Humanoid Robot）、独腿机器人（Single-Le