基于动力学参数辨识的两轮机器人平衡控制

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作者 董慧芬 姚勤燃 王俊峰 《控制工程》 北大核心 2025年第2期345-353,共9页

针对非同轴两轮机器人平衡控制算法设计过程中,机器人动力学建模不精准导致控制器设计困难的问题,提出一种基于小批量梯度下降法的极大似然估计参数辨识方法。首先,用欧拉-拉格朗日方法建立两轮机器人动力学模型;然后,根据激励轨迹用极... 针对非同轴两轮机器人平衡控制算法设计过程中,机器人动力学建模不精准导致控制器设计困难的问题,提出一种基于小批量梯度下降法的极大似然估计参数辨识方法。首先,用欧拉-拉格朗日方法建立两轮机器人动力学模型;然后,根据激励轨迹用极大似然估计方法进行动力学模型参数辨识;最后,用辨识参数和三维软件计算参数分别设计线性二次型调节器平衡控制算法,提升机器人倾角的控制精度。实验结果表明,该方法得到的动力学模型与真实模型的拟合度达到92.5%,基于此方法设计的控制器平衡控制效果显著,在静态和动态下均具有良好的平衡性能。 展开更多

关键词 参数辨识 两轮机器人 小批量梯度下降 极大似然估计 线性二次型调节器

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两轮机器人行走机构的建模与实验 被引量：10

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作者 李航 孙厚芳 +3 位作者 韩建海 李济顺 赵书尚 林青松 《北京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2004年第12期1058-1061,共4页

研究两轮机器人行走机构的系统组成及数学模型的建立,并进行了仿真和样机实验.行走机构由机械行走装置、姿态监测传感器和控制器组成,左右车轮由2个直流伺服电动机分别驱动,姿态监测使用陀螺仪和倾角传感器.在建立系统结构模型的基础上... 研究两轮机器人行走机构的系统组成及数学模型的建立,并进行了仿真和样机实验.行走机构由机械行走装置、姿态监测传感器和控制器组成,左右车轮由2个直流伺服电动机分别驱动,姿态监测使用陀螺仪和倾角传感器.在建立系统结构模型的基础上,利用Lagrange方法建立系统的动力学方程.根据线性系统理论,在Matlab环境下设计了状态反馈控制器,通过仿真验证了系统的稳定性.采用样机进行实际行走控制实验,验证了系统建模和控制器设计的合理性和有效性. 展开更多

关键词 两轮机器人 数学建模 状态控制 陀螺仪

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自平衡两轮机器人的分层模糊控制 被引量：24

3

作者 李明爱 焦利芳 乔俊飞 《控制工程》 CSCD 北大核心 2009年第1期80-82,94,共4页

为解决具有非线性、强耦合和绝对不稳定特点的自平衡两轮机器人的运动控制问题,提出一种分层模糊控制方法。该方法对机器人体的倾斜角度和轮子转动速度分别设计相应的模糊控制器,其输出同时进入决策器,由决策器进行智能判断与协调,输出... 为解决具有非线性、强耦合和绝对不稳定特点的自平衡两轮机器人的运动控制问题,提出一种分层模糊控制方法。该方法对机器人体的倾斜角度和轮子转动速度分别设计相应的模糊控制器,其输出同时进入决策器,由决策器进行智能判断与协调,输出控制量。两控制器交替工作,实现机器人体倾角控制和轮子转速控制的有机统一。该方法具有模糊规则少,控制逻辑简单的特点。对机器人的速度跟踪、运动停止及转弯等多种运动方式进行了控制仿真实验,验证了控制方法的正确性和有效性。 展开更多

关键词 自平衡两轮机器人 分层模糊控制 运动 平衡

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两轮机器人具有内发动机机制的感知运动系统的建立 被引量：12

4

作者 张晓平 阮晓钢 +1 位作者 肖尧 朱晓庆 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第8期1175-1184,共10页

针对两轮机器人运动平衡控制问题,为其建立起一种人工感知运动系统TWR-SMS(Two-wheeled robot sensorimotor system),使机器人在与环境的接触过程中可以通过学习自主掌握运动平衡技能.感知运动系统的认知系统以学习自动机为数学模型,引... 针对两轮机器人运动平衡控制问题,为其建立起一种人工感知运动系统TWR-SMS(Two-wheeled robot sensorimotor system),使机器人在与环境的接触过程中可以通过学习自主掌握运动平衡技能.感知运动系统的认知系统以学习自动机为数学模型,引入好奇心和取向性概念,设计了能够主动探索环境以及主动学习环境的内发动机机制.实验结果证明内发动机机制的引入不仅提高了机器人的自学习和自组织特性,同时能够有效避免小概率事件的发生,稳定性较高.与传统线性二次型调节器(Linear quadratic regulator,LQR)控制方法的对比实验表明系统具有更好的鲁棒性. 展开更多

关键词 两轮机器人 自平衡控制 感知运动系统 内发动机机制

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基于SimMechanics的两轮机器人建模与仿真 被引量：14

5

作者 彭学锋 鲁兴举 吕鸣 《系统仿真学报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第11期2643-2645,共3页

介绍了基于SimMechanics的两轮机器人机电控制系统建模与仿真研究的方法,建立了仿真模型并进行了运动控制仿真分析。利用MATLAB/Simulink强大的运算功能和SimMechanics提供的模块集,可以省略建立运动机构数学模型的推导过程,具有系统建... 介绍了基于SimMechanics的两轮机器人机电控制系统建模与仿真研究的方法,建立了仿真模型并进行了运动控制仿真分析。利用MATLAB/Simulink强大的运算功能和SimMechanics提供的模块集,可以省略建立运动机构数学模型的推导过程,具有系统建模直观和仿真功能强大的特点,为机电控制系统的建模仿真提供一个方便的工具。 展开更多

关键词 两轮机器人 模型 SIMMECHANICS 仿真

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带驱动直流电机两轮机器人运动系统仿真 被引量：7

6

作者 王牛 李祖枢 +1 位作者 李永龙 潘娅 《系统仿真学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第17期4633-4638,4646,共7页

在两轮轮式机器人运动学特性以及直流电机系统的实际响应特性的基础上,分析了实际机器人的各个子系统。根据两轮机器人运动学特性建立了机器人运动模块,采用简化了的直流电机系统模型建立了电机及驱动模块,建立了给定限幅模块。这些模... 在两轮轮式机器人运动学特性以及直流电机系统的实际响应特性的基础上,分析了实际机器人的各个子系统。根据两轮机器人运动学特性建立了机器人运动模块,采用简化了的直流电机系统模型建立了电机及驱动模块,建立了给定限幅模块。这些模块构成了完整的带双闭环驱动直流电机系统的两轮机器人运动仿真系统。以RoboCup足球机器人系统作为验证平台,将提出的仿真系统、只采用理想运动学模型的仿真系统、带有二阶电机系统模型的仿真系统和实际系统四者的运行结果进行了对比。实验表明提出的仿真系统能更为有效地反映实际系统的运行情况,可以用于实际系统控制算法的仿真设计。 展开更多

关键词 两轮机器人 运动学方程 电机驱动系统 运动轨迹

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小摆角两轮机器人动力学建模及控制器设计 被引量：3

7

作者 李晓峰 崔云飞 +3 位作者 高学山 戴福全 郭文增 薄维杰 《北京理工大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2014年第10期1049-1053,共5页

针对现有两轮机器人转弯速度较低问题,提出一种可轴向摆动的新型两轮机器人设计方法.该方法使用连杆控制机构摆动来调整机构的重心分布,实现机器人在小转弯半径条件下稳定运动的目的.基于拉格朗日方程方法,对机器人的小摆角自由度进行... 针对现有两轮机器人转弯速度较低问题,提出一种可轴向摆动的新型两轮机器人设计方法.该方法使用连杆控制机构摆动来调整机构的重心分布,实现机器人在小转弯半径条件下稳定运动的目的.基于拉格朗日方程方法,对机器人的小摆角自由度进行了动力学建模与分析,得到了系统动力学模型,并在此基础上设计了一种状态反馈控制器.运用Matlab/Simulink进行控制器系统仿真,验证了控制器在机器人稳定控制方面的有效性.结果表明,该两轮机器人机构设计思路及运动控制手段可有效提高系统运动稳定性. 展开更多

关键词 两轮机器人 机构 动力学 状态反馈控制器

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基于参数寻优的自学习算法在两轮机器人控制上的应用 被引量：4

8

作者 阮晓钢 陈岩 +1 位作者 肖尧 朱晓庆 《北京工业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第7期1060-1067,共8页

针对两轮机器人现有控制算法的弊端,基于自学习参数寻优算法设计自适应控制器.该控制器结构简单,无需依赖精确数学模型,经过多次学习训练,即可获得最优控制参数.将该控制器应用于两轮机器人的平衡控制中,并与线性二次型(linear quadrati... 针对两轮机器人现有控制算法的弊端,基于自学习参数寻优算法设计自适应控制器.该控制器结构简单,无需依赖精确数学模型,经过多次学习训练,即可获得最优控制参数.将该控制器应用于两轮机器人的平衡控制中,并与线性二次型(linear quadratic regulator,LQR)最优控制器进行对比,仿真结果验证了该算法的正确性、有效性,凸显出较强的鲁棒性和仿生学习性;将该控制器应用于两轮机器人物理系统,取得了良好的控制效果. 展开更多

关键词 两轮机器人 自学习 参数寻优 自适应控制器

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神经元PID控制器在两轮机器人控制中的应用 被引量：22

9

作者 孙亮 孙启兵 《控制工程》 CSCD 北大核心 2011年第1期113-115,共3页

针对两轮机器人传统PID控制器参数整定困难的问题,设计了一种神经元PID控制器。该控制器利用神经元的自学习和自适应能力,在线实时调整控制器各项参数。建立了两轮机器人的非线性模型,讨论了神经元PID控制系统的结构及其控制算法和各项... 针对两轮机器人传统PID控制器参数整定困难的问题,设计了一种神经元PID控制器。该控制器利用神经元的自学习和自适应能力,在线实时调整控制器各项参数。建立了两轮机器人的非线性模型,讨论了神经元PID控制系统的结构及其控制算法和各项控制器参数的学习算法。将设计的控制器其应用于两轮机器人的平衡控制中,并且与传统PID控制器进行了比较,仿真结果验证了控制器的正确性和有效性。将该控制器应用于两轮机器人物理系统,取得了良好效果。 展开更多

关键词 两轮机器人 自适应 神经元PID

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两轮机器人在坡面上的运动平衡控制 被引量：6

10

作者 阮晓钢 李亚磊 朱晓庆 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2014年第3期44-47,共4页

两轮机器人在坡面上运动时,由于受到重力作用的影响,其姿态平衡控制变得更加复杂。为实现机器人在坡面上的平衡控制,首先建立了两轮机器人在坡面上的动力学模型,然后针对两轮机器人设计一种非线性PD控制器。与传统的线性PD控制器进行仿... 两轮机器人在坡面上运动时,由于受到重力作用的影响,其姿态平衡控制变得更加复杂。为实现机器人在坡面上的平衡控制,首先建立了两轮机器人在坡面上的动力学模型,然后针对两轮机器人设计一种非线性PD控制器。与传统的线性PD控制器进行仿真实验对比,实验结果说明:在响应速度、稳定性、鲁棒性方面,非线性PD控制有着更好的效果。最后,在姿态平衡控制中加入速度控制,构成双环的PD控制,实现了两轮机器人在坡面上的静态平衡。 展开更多

关键词 两轮机器人 坡面 动力学建模 非线性PD控制

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基于AOCA仿生学习模型的两轮机器人自主平衡学习研究 被引量：3

11

作者 戴丽珍 杨刚 阮晓钢 《自动化学报》 EI CSCD 北大核心 2014年第9期1951-1957,共7页

以两轮机器人的自主平衡学习控制为研究对象,针对传统控制方法无法实现机器人类似人或动物的渐进学习过程,依据斯金纳的操作条件反射理论建立了一种自治操作条件反射自动机(Autonomous operant conditioning automaton,AOCA)模型,设计... 以两轮机器人的自主平衡学习控制为研究对象,针对传统控制方法无法实现机器人类似人或动物的渐进学习过程,依据斯金纳的操作条件反射理论建立了一种自治操作条件反射自动机(Autonomous operant conditioning automaton,AOCA)模型,设计一种基于AOCA的仿生学习算法,并进行机器人姿态平衡学习实验仿真研究.实验结果表明,基于AOCA的仿生学习方法能有效地实现机器人的自主平衡学习控制,机器人系统的平衡能力在学习控制过程中自组织地渐进形成,并得以发展和完善. 展开更多

关键词 两轮机器人 自主平衡 仿生学 操作条件反射 自学习

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基于Skinner操作条件反射的两轮机器人自平衡控制 被引量：3

12

作者 任红格 阮晓钢 《控制理论与应用》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第10期1423-1428,共6页

针对两轮自平衡机器人的运动平衡控制问题,采用了基于Skinner操作条件反射理论的自回归神经网络学习算法作为机器人的学习机制,利用自回归神经网络对评价函数进行逼近,以实现对行为决策的优化,从而使机器人能够在无需外部环境模型的情况... 针对两轮自平衡机器人的运动平衡控制问题,采用了基于Skinner操作条件反射理论的自回归神经网络学习算法作为机器人的学习机制,利用自回归神经网络对评价函数进行逼近,以实现对行为决策的优化,从而使机器人能够在无需外部环境模型的情况下,通过学习和训练,获得像人或动物一样的自主学习技能,解决了两轮机器人的运动平衡控制问题.最后分别在无扰动和有扰动的两种状态下设计了仿真实验并进行了比较.结果表明,该操作条件反射学习机制具有较快的自主平衡控制技能和较好的鲁棒性能,体现了较高的理论研究意义和工程应用价值. 展开更多

关键词 Skinner操作条件反射 自回归神经网络 两轮机器人 自平衡控制 鲁棒性

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基于改进萤火虫算法的两轮机器人平衡控制 被引量：1

13

作者 杨怀德 《合肥工业大学学报（自然科学版）》 CAS CSCD 北大核心 2016年第5期642-646,共5页

文章针对两轮自平衡机器人的平衡控制问题,提出了一种基于改进萤火虫算法的控制器优化算法。该算法通过引入莱维飞行(Levy flight)的思想,对萤火虫的位置更新策略进行优化。仿真实验表明,新的算法稳定性好、遗传代数小,在两轮自平衡机... 文章针对两轮自平衡机器人的平衡控制问题,提出了一种基于改进萤火虫算法的控制器优化算法。该算法通过引入莱维飞行(Levy flight)的思想,对萤火虫的位置更新策略进行优化。仿真实验表明,新的算法稳定性好、遗传代数小,在两轮自平衡机器人的平衡控制中获得了较好的控制效果。 展开更多

关键词 两轮机器人 萤火虫优化算法 莱维飞行 平衡控制

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基于最大反馈线性化的两轮机器人平衡控制 被引量：3

14

作者 阮晓钢 武卫霞 刘航 《控制工程》 CSCD 北大核心 2011年第2期309-312,325,共5页

为了对两轮直立式机器人进行平衡控制研究,首先应用一种拉格朗日方法对两轮直立式机器人系统进行动力学建模,以力矩作为模型控制输入并且考虑到了系统无滑动的非完整约束方程。求出了系统的最大相对阶并对非线性系统进行了部分反馈线性... 为了对两轮直立式机器人进行平衡控制研究,首先应用一种拉格朗日方法对两轮直立式机器人系统进行动力学建模,以力矩作为模型控制输入并且考虑到了系统无滑动的非完整约束方程。求出了系统的最大相对阶并对非线性系统进行了部分反馈线性化,经过坐标变换和输出反馈得到了2个由两链积分器构成的子系统,外加3个代表系统内动态的非线性方程。根据以上所得的结果,对两轮直立式机器人进行了平衡控制,并在保持平衡时跟上期望的偏航角。所使用的方法为简单的PID控制,由仿真结果可以看出机器人可以在短时间内达到平衡状态,验证了这种控制方法的有效性。 展开更多

关键词 两轮直立式机器人 非线性系统 反馈线性化

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带惯性轮的两轮机器人H_(∞)鲁棒控制系统

15

作者 胡阳城 黄卫华 +2 位作者 陈昊 杨继荣 吴家刚 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2023年第4期58-62,共5页

针对复杂环境中两轮机器人的实用性和平衡控制问题,构建了一种带惯性轮的两轮机器人H_(∞)鲁棒控制系统。首先,介绍了两轮机器人的机械结构及性能,通过惯性轮和底部双轮共同作用增强机体的运动能力,提升机器人对环境的适应性;其次,推导... 针对复杂环境中两轮机器人的实用性和平衡控制问题,构建了一种带惯性轮的两轮机器人H_(∞)鲁棒控制系统。首先,介绍了两轮机器人的机械结构及性能,通过惯性轮和底部双轮共同作用增强机体的运动能力,提升机器人对环境的适应性;其次,推导了坡面上带惯性轮的两轮机器人动力学模型;在此基础上,设计了一种基于H_(∞)鲁棒控制器的两轮机器人系统,实现了机器人姿态控制的自平衡稳定性、鲁棒性以及抗扰性;最后,仿真和实测实验验证了所设计机器人系统的可行性和有效性:机器人系统的倾斜角度可调范围更大、控制精度更高,可有效抑制由于机体振动和外界干扰对系统的影响。 展开更多

关键词 两轮机器人 惯性轮 H_(∞)鲁棒控制 动力学建模

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两轮自平衡机器人控制技术研究综述

16

作者 赵耕 张志峰 马宁 《南方农机》 2024年第10期1-5,10,共6页

【目的】两轮自平衡机器人运动控制算法研究一直是机器人领域的研究热点,多数集中在姿态平衡、速度控制、轨迹跟踪控制等方面。【方法】从基于动力学模型的传统控制算法、数据驱动的自适应控制算法、状态观测器3个方面重点阐述了两轮自... 【目的】两轮自平衡机器人运动控制算法研究一直是机器人领域的研究热点,多数集中在姿态平衡、速度控制、轨迹跟踪控制等方面。【方法】从基于动力学模型的传统控制算法、数据驱动的自适应控制算法、状态观测器3个方面重点阐述了两轮自平衡机器人运动平衡控制的研究进展,并对比分析了多种控制策略的特点。【结果】1)基于模型的控制器设计应考虑关节摩擦-阻尼特性、系统质心的动力学等动力学误差项,未知的系统参数估计,非线性项的识别、抵消或者处理等,以提高模型的精确程度;2)在控制算法的设计中,应根据被控对象和应用场景选择基于模型的控制方法或数据驱动的控制方法或两种方法的结合,以达到最佳的控制效果;3)未来应重点关注两轮机械手、轨迹规划、编队控制以及安全调节等其他方面。【结论】两轮自平衡机器人已经取得了长足的发展,本研究可为提高两轮自平衡机器人的运动稳定性和实用性提供参考。 展开更多

关键词 两轮机器人 智能控制 平衡控制 运动控制 综述

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基于红外传感器的两轮桌面机器人设计实现 被引量：1

17

作者 阮晓钢 刘航 武卫霞 《控制工程》 CSCD 北大核心 2011年第5期775-779,共5页

为了验证红外传感器作为姿态检测的可行性,又能满足经济性要求,设计了一种基于红外传感器的两轮桌面式小型机器人WillBot-Ⅱ,此机器人通过红外传感器检测与地面之间的距离来达到姿态检测的目的,此种方法大大节约了传感器的成本,同时克... 为了验证红外传感器作为姿态检测的可行性,又能满足经济性要求,设计了一种基于红外传感器的两轮桌面式小型机器人WillBot-Ⅱ,此机器人通过红外传感器检测与地面之间的距离来达到姿态检测的目的,此种方法大大节约了传感器的成本,同时克服了零点漂移现象,能够有效准确地对姿态进行检测。首先介绍了机器人的系统构成,包括机械结构部分、电气结构部分和控制部分。使用牛顿力学方法对机器人进行了动力学建模,在建模过程中充分考虑系统中可能存在的不确定性及噪声,之后对机器人的数学模型进行了线性化处理,并建立了状态空间方程。用LQR方法对机器人分别进行了系统仿真和实物的控制,仿真结果和实物控制结果证明了机器人物理系统和控制方法的合理性与有效性。 展开更多

关键词 两轮机器人 桌面机器人 红外传感器

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两轮自平衡机器人控制系统设计与实现 被引量：33

18

作者 林文建 钟杭 +2 位作者 黎福海 肖祥慧 钱馨然 《电子测量与仪器学报》 CSCD 2013年第8期750-759,共10页

提出了一种使用PID优化LQR的两轮自平衡机器人控制方案。首先建立自平衡机器人的动态模型,使用卡尔曼滤波实现加速度计及陀螺仪的信息融合,然后设计了一种具有PID动态调节及LQR跟踪功能的PID-LQR控制器,解决了机器人在大角度范围内不能... 提出了一种使用PID优化LQR的两轮自平衡机器人控制方案。首先建立自平衡机器人的动态模型,使用卡尔曼滤波实现加速度计及陀螺仪的信息融合,然后设计了一种具有PID动态调节及LQR跟踪功能的PID-LQR控制器,解决了机器人在大角度范围内不能快速稳定地达到设定状态效果的问题,最后搭建了以K60微控制器为核心的机器人软硬件平台。仿真结果表明当设定速度为1m/s时,PID-LQR控制器比LQR控制器动态响应速度减少接近1 s。实际应用测试结果表明当机器人受冲击后,重新回到平衡位置的时间减少接近1s,平衡位置的扰动大小减小50%左右。 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 动态模型 PID-LQR控制器 K60微控制器

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两轮自平衡机器人控制系统的设计 被引量：18

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作者 陈伟 延文杰 +1 位作者 周超英 杜志江 《传感器与微系统》 CSCD 北大核心 2008年第4期117-120,共4页

针对自行设计的两轮自平衡机器人Opyanbot建立了动力学模型,应用最优控制和两轮差动等控制方法设计了控制器,提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。为了提高两轮自平衡机器人的控制效果,利用基于DSP数字电路的全数字智能伺服... 针对自行设计的两轮自平衡机器人Opyanbot建立了动力学模型,应用最优控制和两轮差动等控制方法设计了控制器,提出了针对两轮自平衡机器人平衡和行进的新策略。为了提高两轮自平衡机器人的控制效果,利用基于DSP数字电路的全数字智能伺服驱动单元IPM100分别精确控制左右轮电机,并利用上位机实时控制机器人的运动状态,提高了控制精度、可靠度和集成度,得到了很好的控制效果。 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 控制系统设计 最优控制 数字伺服驱动

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两轮自平衡机器人系统建模与模糊自整定PID控制 被引量：20

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作者 蔡建羡 阮晓刚 甘家飞 《北京工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第12期1603-1607,共5页

针对不稳定、非线性、强耦合的两轮自平衡机器人系统,运用牛顿力学方法建立了转向运动的数学模型.介绍了用模糊控制进行PID参数整定的原理和方法,并用该方法实现对两轮自平衡机器人系统的控制.仿真结果和实际应用均表明,该方法能使系统... 针对不稳定、非线性、强耦合的两轮自平衡机器人系统,运用牛顿力学方法建立了转向运动的数学模型.介绍了用模糊控制进行PID参数整定的原理和方法,并用该方法实现对两轮自平衡机器人系统的控制.仿真结果和实际应用均表明,该方法能使系统有更好的快速性和稳定性. 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 模糊控制 PID参数整定 牛顿力学

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