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自行车机器人的建模与滑模变结构控制

作　者: 石文辉
导　师: 黄进
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 自行车机器人动力学模型变结构控制控制器设计
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 45次
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内容摘要

自行车机器人是一个非线性自然不稳定的系统，该系统具有静态不稳定、动态稳定的特点。由于自行车机器人的本质非线性、强耦合等特点，以及其所具有的复杂的动力学特性，使得自行车机器人的自稳定控制比较困难。因此自行车机器人的动力学建模与控制问题成为了机器人学领域的研究难点之一。针对这一问题，本文利用建模、控制器设计和实验仿真的方法，对自行车机器人的平衡控制进行了研究。首先，采用拉格朗日方法建立了依靠调节车把保证自行车机器人平衡的单输入单输出(SISO)非线性动力学模型，并且利用近似线性化的方法将SISO非线性模型进行了线性化。考虑到自行车运行速度对于车体姿态的影响因素，然后建立了以转动车把和改变后轮驱动速度作为调节方式的自行车机器人的两输入两输出的非线性动力学模型。其次，针对单输入单输出非线性动力学模型，设计了常值切换控制器和比例切换控制器。针对两输入两输出的非线性动力学模型，设计了Terminal滑模控制器。仿真结果表明，所设计的常值切换控制器和比例切换控制器具有全局稳定性。Terminal滑模控制器既减小抖振又保证系统响应的快速性，跟踪误差能够在有限时间内收敛到零。从而能够更加有效的实现自行车机器人的稳定控制。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 自行车机器人的研究现状及发展趋势  7-12
    1.1.1 自行车机器人的研究现状  7-11
    1.1.2 自行车机器人的发展趋势  11-12
  1.2 自行车机器人研究中存在的问题  12-13
  1.3 本论文的研究内容  13-15
第二章自行车机器人动力学建模  15-29
  2.1 机器人动力学模型建模方法  15-16
    2.1.1 机器人动力学建模的常见方法及应用  15-16
    2.1.2 轮式机器人的动力学建模方法  16
  2.2 自行车机器人单输入单输出数学模型  16-22
    2.2.1 自行车机器人的运动分析  17-20
    2.2.2 动力学方程  20-22
  2.3 自行车机器人两输入两输出动力学建模  22-27
    2.3.1 两输入两输出非线性系统动力学建模  22-23
    2.3.2 运动分析  23-24
    2.3.3 动力学模型  24-27
  2.4 本章小结  27-29
第三章自行车机器人 SISO 系统动力学控制  29-39
  3.1 滑模变结构控制  29-30
    3.1.1 滑模变结构控制简介  29
    3.1.2 滑动模态的存在和到达条件  29-30
  3.2 等效控制及滑动模态方程  30-31
    3.2.1 等效控制  30-31
    3.2.2 滑动模态运动方程  31
  3.3 滑模变结构控制匹配条件及不变性  31-32
  3.4 自行车机器人 SISO 滑模控制器设计  32-34
    3.4.1 近似线性化模型  32-33
    3.4.2 滑模控制器设计基本方法  33-34
  3.5 滑模控制器设计  34
  3.6 仿真结果  34-37
  3.7 本章小结  37-39
第四章自行车机器人 MIMO 系统动力学控制  39-47
  4.1 Terminal 滑模控制  39-41
    4.1.1 切换面设计  39-40
    4.1.2 Terminal 滑模控制器设计  40-41
  4.2 仿真试验  41-46
  4.3 本章小结  46-47
第五章总结与展望  47-49
  5.1 论文工作的总结  47
  5.2 研究中仍存在的问题  47-49
致谢  49-51
参考文献  51-55

自行车机器人的建模与滑模变结构控制

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