无机械调节器的自行车机器人圆周运动实现.pdfVIP

学兔兔 第49卷第 7期 机 械 工 程 学 报 Vo1．49 NO．7 2013年 4 月 JOURNAI，0FMECHANICALENGINEERN【G Apr． 20I3 DoI： l0．3901／JME．2013．07．141 无机械调节器的自行车机器人圆周运动实现木 黄用华 廖启征 魏世民 郭 磊 匕京邮电大学 自动化学院 北京 100876) 摘要：为了研究无机械调节器 自行车机器人的曲线运动平衡能力，给出一种前轮驱动 自行车机器人的欠驱动力学模型以及这 种机器人在水平面上实现小半径圆周运动的方法。根据几何关系得到车体的转弯半径，以此为基础推导出后轮转角速度和车 架航向角速率，进一步采用拉格朗日方程建立系统的力学模型；分析圆周运动下重力矩和向心力矩的动态平衡条件，得到前 轮驱动速度、车架横滚角以及车把转角之间的量化关系；基于部分反馈线性化方法，将模型中的欠驱动子系统线性化，设计 出圆周运动控制器，并通过动态平衡条件设定车架横滚角和前轮驱动速度期望值来加速算法收敛。仿真控制和样机试验结果 表明，控制器可以提供合理的驱动力矩实现 自行车机器人的圆周平衡行走，并且给定不同的车架横滚角期望值可以对应得到 不同的圆周运动周期，期望值越大，圆周运动周期越短。 关键词： 自行车机器人 无机械调节器 圆周运动 平衡控制 中图分类号：TP24 CircularM otionRealizationofaM echanicalRegulatorFreeBicycleRobot HUANGYonghua LIAOQizheng WEIShimin GUOLei (SchoolofAutomation，BeijingUniversityofPostsandTelecommunications，Beijing100876) Abstract：Inordertodealwithbalancedcon~o1ofcurvilinearmotionforbicyclerobotwihtoutmechanicalregulator,arfontw‘heel drivebicyclerobotistakenintoconsideration，includingitssimplifiedunder-actuateddynamicsandphysicalrealizationofrcircular motion．Accordingtogeometricalrelationship，turningradiusofhterobotisget，nadyaw rateofflametogehterwiht rotational velocity ofrear-wheelraederived．BasedonLagrangeformulation，dnyma icsofhtesystem isestablished．Consideringdynma ic balna cebetween graviattionalmomentna dcentripeatlforcemomentun dercircularmotion，htemahtematicalrelationship among rfont-wheeldrivnigvelociyt,frma erollingnagleandrfont-barroattionalnagleisderived．Bylineariznigtheunder-actuatedflame rollingangle，balnacedcontrollerofrcirculra motionisconstructedwiht partialfeedbacklinearization，inwhichdnyma icbalnace condition isused to setexpected valuesofflamerollinganglena d fiont-wheeldrivingvelocity foracceleratingalgorithm converge