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基于双足机器人的倒立摆系统的研究

作　者: 贾荣丛
导　师: 王划一
学　校: 山东大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 双足机器人 倒立摆 步态规划 LQR 模糊控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 466次
引　用: 9次
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内容摘要


双足机器人是一门与仿生学、多刚体动力学、多传感器融合技术以及控制工程等多学科相结合的交叉学科，是机器人研究领域中的一个重要分支。双足行走方式具有高度的灵活性，特别适合于在日常环境中与人类协作完成各种任务，在康复、日常服务、危险环境作业等领域具有广阔的应用潜力。所以对双足步行机器人行走规划及其控制的研究不仅具有很高的学术价值，而且具有相当的现实意义。论文中，我们根据人类的步行过程及人体的生理结构提出了一种简单的双足机器人模型，并进行了步态规划的研究，最终得出了和二级倒立摆模型相似的双足机器人行走模型。在随后的章节中针对这一模型，用二级倒立摆的平衡控制模拟双足机器人在平坦的地面上，脚面抬起高度为0的最小能量消耗的一种行走方式。本文围绕二级倒立摆系统，采用LQR—模糊控制方法实现了倒立摆的控制系统仿真和实物系统控制问题。仿真与实物实验均证明本文设计的LQR—模糊控制器有很好的稳定性和鲁棒性。主要研究工作如下：建立了倒立摆实物系统的数学模型，并对倒立摆系统进行了能控性分析，证明了倒立摆系统是自然不稳定系统，但在平衡点是能控的。针对倒立摆系统，提出了LQR—模糊控制方法，即运用最优控制方法设计最优状态变量合成函数，减少了模糊控制器输入变量的维数，成功解决了“规则爆炸”问题。分析了量化因子对控制效果的影响，通过设置阈值使量化因子在平衡点附近可以自动切换，进而提升了模糊控制器的性能品质。利用Matlab／Simulink工具进行了二级倒立摆模糊控制系统的仿真研究。该工具使模型的建立更具灵活性，给仿真带来很大方便，从而成功实现了二级倒立摆LQR—模糊控制的仿真。仿真结果证明：LQR—模糊控制器不仅可以稳定倒立摆系统，还具有定位功能。最后将该控制算法运用到倒立摆实物系统中，也取得了令人满意的控制效果。

全文目录


摘要  6-7
ABSTRACT  7-9
第1章 绪论  9-16
  1.1 机器人概述  9-11
    1.1.1 机器人的发展  9-10
    1.1.2 双足机器人的发展  10-11
  1.2 倒立摆系统的研究和现状  11-13
    1.2.1 倒立摆系统  11-12
    1.2.2 倒立摆的研究历史与现状  12
    1.2.3 倒立摆的控制规律  12-13
  1.3 二级倒立摆仿真双足机器人的思想  13-14
  1.4 LQR—模糊控制实现二级倒立摆的稳定控制  14
  1.5 论文主要工作  14-16
第2章 双足机器人的行走模型及步态规划  16-23
  2.1 双足机器人模型的提出  16-18
    2.1.1 双足步行机器人模型的推导  16-17
    2.1.2 双足机器人模型的可行性证明  17-18
  2.2 双足步行分析  18
  2.3 步态规划  18-22
    2.3.1 规划方法  18-19
    2.3.2 ZMP与行走的稳定性  19-20
    2.3.3 步态规划步骤  20-22
  2.4 本章小节  22-23
第3章 二级倒立摆系统的数学模型与可控性分析  23-31
  3.1 直线二级倒立摆的数学模型的推导  23-29
    3.1.1 非线性数学模型的建立  23-27
    3.1.2 线性数学模型的推导  27-29
  3.2 二级倒立摆系统的可控性分析  29-30
  3.3 本章小节  30-31
第4章 倒立摆系统的 LQR—模糊控制方法  31-49
  4.1 LQR控制器简介  31-33
    4.1.1 理论分析  31-32
    4.1.2 加权矩阵的选取  32-33
  4.2 模糊控制原理介绍  33-35
    4.2.1 模糊控制系统组成  33-34
    4.2.2 模糊控制的基本原理  34-35
  4.3 倒立摆的LQR—模糊控制方法  35-37
  4.4 最优状态变量合成系统的设计  37-39
    4.4.1 状态变量合成技术  37
    4.4.2 最优状态变量合成函数的设计  37-39
  4.5 模糊控制器的设计  39-46
    4.5.1 隶属度函数  39-41
    4.5.2 模糊规则  41-43
    4.5.3 模糊推理  43-44
    4.5.4 清晰化  44
    4.5.5 模糊查询表的建立  44-46
  4.6 量化因子和比例因子对控制效果的影响  46-48
    4.6.1 量化因子和比例因子  46-47
    4.6.2 量化因子和比例因子对模糊控制器性能的影响  47-48
  4.7 本章小节  48-49
第5章 二级倒立摆系统的仿真研究  49-55
  5.1 二级倒立摆系统模块仿真  49-51
  5.2 二级倒立摆模糊控制系统仿真  51-53
  5.3 仿真结果分析  53-54
  5.4 本章小节  54-55
第6章 倒立摆实物系统的控制  55-63
  6.1 倒立摆实物系统简介  55-56
  6.2 倒立摆控制软件  56-60
  6.3 二级倒立摆实时控制  60-62
  6.4 本章小节  62-63
第7章 结论与展望  63-65
  7.1 论文的主要工作  63-64
  7.2 尚需进一步研究的问题  64-65
参考文献  65-69
致谢  69-70
攻读学位期间发表过的论文目录  70-71
学位论文评阅及答辩情况表  71

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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