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移动机器人——独轮机器人研究综述 吴 霜 3110000309 研究历史 SWR的研究始于20 世纪七八十年代，主要集中于日本、美国等国家 1987年，斯坦福大学的Schoonwinkel等人根据人骑独轮车原理，应用轮子、支架和旋转的水平转盘3 部分设计了一种SWR（LQR控制） 1990 年，麻省理工学院的Vos等人根据Schoonwinkel等人的模型，提出一种新的LQG控制结构,，实现了这种机器人的稳定性控制，但没有实现机器人的运动控制（LQG算法） 1996年，卡耐基梅隆Brown等人依照陀螺前进原理，发明了Gyrover机器人 1997年，日本筑波大学研制了一种具有橄榄球形状的宽大轮子的独轮机器人，并且将机器人分成上、下2个用铰链关节连接的部分。由于其轮子很宽大，因此基本不存在侧向平衡的问题。 2005年卡内基梅隆大学的研究者Lauwers 等研制与独轮机器人很类似的机器人称为独轮球机器人，它将独轮机器人的轮子换成的一个可朝任意方向滚动的球 2007 年，美国加州大学圣地亚哥分校研制成功一款名为UniBot 的SWR，利用极点配置算法控制上端的竖直飞轮和下端的一个行走轮，成功地实现了自身的平衡 2008 年，日本村田制作所推出了名为“村田少女”的独轮车机器人，该机器人通过转动机器人体内配备的惯性轮保持侧向平衡, 而前向平衡则通过机器人的车轮来控制 难题 - 平衡（目前） 建模复杂 拉格朗日法、凯恩法 干扰 卡尔曼滤波 欠驱动或不稳定 非线性 线性化、微分几何（滑膜控制） 俯仰、横滚、航向之间耦合 解耦控制 静态不稳定 动平衡 MIMO系统 角度、角速度、位置、速度反馈 动力学建模方法 牛顿—欧拉法 受力分析 拉格朗日方程 - 劳斯方程 基于能量、计算量大 凯恩法（非完整性系统） 矢量运算（计算量小）、有递推公式（方便计算） 典型结构 水平飞轮（容易转向） 竖直飞轮（容易平衡） 陀螺仪结构 橄榄球形状 球形结构 控制策略 PD控制、极点配置（LQ控制） 线性化、解耦、分层 非线性：非线性PID、H-inf、自适应、模糊、神经网络、滑膜 神经网络反演迭代学习控制 中国进展：2009~2013 北京工业大学（阮晓钢） 哈尔滨工业大学 国内进展 郭磊等人研究了一种带水平飞轮和运动配重机构的独轮机器人的动力学模型，并根据线性理论MIMO（3I3O）方法设计控制算法对其进行了控制实验 阮晓钢等人利用滑模变结构和模糊控制方法对忽略SWR偏转角和左右方向位移的退化模型进行了控制研究 双闭环非线性PID控制、自适应单神经元双闭环控制…… 电气控制结构 参考文献 Brown Jr, H. B., Xu, Y. (1996, April). A single-wheel, gyroscopically stabilized robot. In Robotics and Automation, 1996. Proceedings., 1996 IEEE International Conference on (Vol. 4, pp. 3658-3663). IEEE. Nakajima, R., Tsubouchi, T., Yuta, S., Koyanagi, E. (1997, September). A development of a new mechanism of an autonomous unicycle. In Intelligent Robots and Systems, 1997. IROS97., Proceedings of the 1997 IEEE/RSJ International Conference on (Vol. 2, pp. 906-912). IEEE. Schoonwinkel, A. (1988). Design and test of a computer-stabilized unicycle. Lauwers, T. B., Kantor, G. A., Hollis, R. L. (2006, May). A dynamically stable single-wheeled mobile robot with inverse mouse-ball drive. In Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedings 2006 IEEE International Conference on (pp. 2884-2889). IEEE. Vos, D. W. (1992).?Nonlinear control of an autonomous unicycle robot: practical iss