一种复杂环境下两轮自平衡机器人稳定控制研究-ourDEVCN网页不.PDF

一种复杂环境下两轮自平衡机器人稳定控制研究1 1 1 陈静 ，阮晓钢 1 北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 (100124) E-mail：c_j_223@163.com 摘 要：针对两轮自平衡机器人在控制过程中的抖动现象，采用一种快速跟踪的有限记忆递 推最小二乘估计方法，实现系重心偏移角的参数辨识，仿真表明，在参数突然变化时，该方 法能够快速辨识系统参数。通过增加一个惯导元件，用一个倾角仪 A 中采集的数据辨识出 的偏移角对另一个倾角仪B 的零位进行修正，将B 采集的数据反馈到控制器中，对机器人 实施平衡控制。分析表明，考虑重心偏移的控制策略是一种自适应的控制方法，能够有效的 去除抖动现象，提高两轮自平衡机器人平衡控制的鲁棒性。 关键词：两轮自平衡机器人 重心偏移 参数估计 递推最小二乘法 平 衡 控 制 惯导元件 中图分类号：TP273 1．引言 两轮自平衡机器人(Two-wheeled self-balancing robot，简写为：TW-SBR)是自然不稳定 体，是一种多变量、强耦合的欠驱动系统。国内外很多研究学者对其进行了各方面的研究 [1][2][3][4][5]，其中机器人的平衡控制问题是机器人控制中必须研究的一个问题，TW-SBR 本体 中采用倾角仪、陀螺仪等传感器来检测机器人的倾角及倾角速度，作为反馈信号控制两个轮 子上的电机，通过轮子的运动来保持机身的平衡。文献[6] 中针对倾角的精确测量采用滤波理 论对采集数据进行了校正和数据融合。两轮自平衡机器人 JOE[7]工作组成员将机器人的重心 （CG ）的变化作为一种扰动。他们都没有考虑机器人重心位置的变化，但是实际的机器人 当中，重心位置不是在竖直位置时，仅仅将重心位置的变化作为一种扰动是不行的，会对控 制的稳定性造成影响。 在步行机器人的步态规划研究中，通过控制重心位置的变化来保持姿态的平衡，进行步 态规划的研究，在非两轮的轮式机器人中有的也是通过重心的变化来使得机器人在运动过程 中保持平衡，但是两轮自平衡机器人不可以像上述两种机器人一样通过变重心的装置或者规 划来使得机械系统在操作过程中保持平衡。因为它是双轮直立式的机器人，不具备重心位置 可以调节的条件，不能通过底座重心的变化[9]来保持机器人在操作过程中的稳定。因此我们 希望设计一种在复杂环境下能够稳定控制机器人的方法，通过实时的辨识机器人本体重心位 置的方法，并反馈到系统中，从而达到稳定控制的目的，这是具有实际意义的。 本文针对复杂环境中机器人重心突然发生偏移的情况下系统控制的稳定性进行研究，增加 一个惯导器件，采用一种“时间窗”的有限记忆的辨识方法，通过辨识出的偏移角对传感器 的零位进行实时修正，作为控制量的一部分，达到去除抖动的问题，提高两轮自平衡机器人 平衡控制的鲁棒性。 2 ．问题描述 本文的研究对象是一个可以自我平衡的两轮自平衡机器人[10] ，它的控制力只有两个轮 的驱动力，系统运动包括水平面系统所处位置和中间体的空间姿态，因此自由度为3，控制 量少于运动自由度，属于欠驱动系统。同时，它也是一个非完整系统，我们这里讨论的是它 1本课题得到国家“863 计划”项目(2007AA04Z226) ；国家自然科学基金项目 ；北京市教委重点 项目(KZ200810005002) ；北京市人才强教计划项目；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题的资助。 -1- 的刚性系统模型，有两个同轴线的驱动轮，中间装载控制器、传感器等子系统，我们称它为 中间体（简称IB ，Intermediate Body ），物理结构如图1(a)所示： (a) (b) (c )