两轮直立式自平衡移动机器人的控制系统设计 被引量：5

1

作者 赵建伟 阮晓钢 《北京工业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2009年第1期25-29,共5页

研究了两轮直立式自平衡机器人的系统组成,并利用动力学原理建立系统的数学模型,在Matlab环境下设计了状态反馈控制器(LQR),并进行了仿真和机器实体的实验,系统具有良好的鲁棒性.表明了系统建模和控制器设计的合理性和有效性.这种机器... 研究了两轮直立式自平衡机器人的系统组成,并利用动力学原理建立系统的数学模型,在Matlab环境下设计了状态反馈控制器(LQR),并进行了仿真和机器实体的实验,系统具有良好的鲁棒性.表明了系统建模和控制器设计的合理性和有效性.这种机器人两轮共轴、独立驱动,车身重心倒置于车轮轴上方,通过运动保持平衡,可直立行走.由于特殊的结构,其适应地形变化能力强,运动灵活,可以胜任一些复杂的工作.为机器人的自主控制、自学习提供了可靠的实验平台. 展开更多

关键词 数学建模 状态控制 姿态检测 两轮直立式自平衡机器人 线性二次型最优控制

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两轮自平衡机器人控制技术研究综述

2

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PWM伺服控制及LQR的两轮自平衡移动机器人 被引量：18

3

作者 阮晓钢 赵建伟 《控制工程》 CSCD 北大核心 2009年第3期363-366,共4页

研究两轮直立式自平衡机器人的系统结构及PWM直流伺服控制系统,加入伺服系统使得电机控制变得容易,机器人的控制也变得更加有效,并对其进行了仿真和机器实验。系统由运动装置、姿态监测传感器和控制器构成,左右车轮由2个带有光电编码器... 研究两轮直立式自平衡机器人的系统结构及PWM直流伺服控制系统,加入伺服系统使得电机控制变得容易,机器人的控制也变得更加有效,并对其进行了仿真和机器实验。系统由运动装置、姿态监测传感器和控制器构成,左右车轮由2个带有光电编码器反馈的高精度直流伺服电机分别驱动,采用晶体管脉冲宽度调制(PWM)直流伺服控制系统,姿态监测使用陀螺仪和倾角传感器。建立系统的数学模型,在M atlab环境下设计了状态反馈控制器(LQR),系统具有良好的鲁棒性和稳定性。通过实验验证了系统的稳定性。一种真正的仿人型机器人实现各种灵活的行走控制,表明了系统建模、引入伺服系统和控制器设计的合理性和有效性。 展开更多

关键词 PWM伺服控制 两轮直立式自平衡机器人 姿态检测 LQR控制

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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

4

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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自平衡两轮机器人的分层模糊控制 被引量：24

5

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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两轮自平衡机器人多传感器数据融合方法研究 被引量：11

6

作者 王晓宇 闫继宏 +2 位作者 臧希喆 秦勇 赵杰 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第3期668-672,共5页

为了对机器人运行状态进行有效的识别,提出一种基于支持向量机的多传感器数据两级融合方法,从分类的角度实现了运行状态识别,解决了识别正确率较低的问题。将此方法应用于两轮自平衡机器人进行运行状态识别实验,当每种状态采集的独立样... 为了对机器人运行状态进行有效的识别,提出一种基于支持向量机的多传感器数据两级融合方法,从分类的角度实现了运行状态识别,解决了识别正确率较低的问题。将此方法应用于两轮自平衡机器人进行运行状态识别实验,当每种状态采集的独立样本数超过20个时,正确率可以达到98%以上.实验结果表明应用该方法可以对两轮自平衡机器人的运行状态进行有效、可靠的识别,能够满足两轮自平衡机器人快速机动过程中的实时性要求. 展开更多

关键词 支持向量机 两轮自平衡机器人 多传感器数据融合 两级融合 运行状态识别

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两轮自平衡机器人控制系统的设计 被引量：18

7

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

8

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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复杂环境下两轮自平衡机器人稳定控制研究 被引量：4

9

作者 阮晓钢 陈静 +1 位作者 蔡建羡 李欣源 《北京工业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第9期1310-1316,共7页

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... 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,能有效去除抖动现象,提高两轮自平衡机器人平衡控制的鲁棒性. 展开更多

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

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两轮自平衡机器人动力学建模及其平衡控制 被引量：34

10

作者 阮晓钢 任红格 《计算机应用研究》 CSCD 北大核心 2009年第1期99-101,共3页

针对高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的两轮自平衡移动机器人系统,采用Lagrange方程推导出动力学模型,对其进行稳定性和可控性判断,并利用LQR和龙伯格极点配置的方法在此模型的基础上对两轮自平衡机器人的姿态和速度进行控制,... 针对高阶次、不稳定、多变量、非线性、强耦合的两轮自平衡移动机器人系统,采用Lagrange方程推导出动力学模型,对其进行稳定性和可控性判断,并利用LQR和龙伯格极点配置的方法在此模型的基础上对两轮自平衡机器人的姿态和速度进行控制,可获得较为稳定的动态平衡过程。给出了数学模型推导的具体步骤,分别采用以上两种方法进行了仿真研究和比较。仿真实验结果表明,这两种控制方法对机器人的稳定性控制都是有效的。其中龙伯格极点配置控制方法使系统的跟踪速度更快、稳定性更高,具有较高的实际应用价值。 展开更多

关键词 两轮自平衡移动机器人 动力学模型 线性二次型调节器 龙伯格极点配置 动态平衡控制

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两轮自平衡机器人运动平衡控制研究 被引量：8

11

作者 阮晓钢 孙荣毅 +1 位作者 马圣策 王旭 《科学技术与工程》 北大核心 2014年第24期84-88,共5页

对两轮自平衡机器人的运动平衡控制进行研究。通过搭建两轮自平衡机器人实验平台,采用Newton-uler法建立动力学模型以及针对机器人的运动控制、平衡控制和伺服控制设计相应的PID控制器。物理实验表明,机器人在外界冲击干扰和阶跃干扰的... 对两轮自平衡机器人的运动平衡控制进行研究。通过搭建两轮自平衡机器人实验平台,采用Newton-uler法建立动力学模型以及针对机器人的运动控制、平衡控制和伺服控制设计相应的PID控制器。物理实验表明,机器人在外界冲击干扰和阶跃干扰的作用下,能够维持自身平衡同时可以执行相应的运动控制命令。结果表明,提出的两轮自平衡机器人运动平衡控制的方法是合理有效的。 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 平衡控制 Newton-Euler建模 PID控制

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两轮自平衡机器人平衡控制仿真与研究 被引量：6

12

作者 李世光 王文文 +1 位作者 申梦茜 高正中 《山东科技大学学报（自然科学版）》 CAS 2016年第6期76-81,共6页

针对两轮自平衡机器人的平衡不稳定问题,建立了机器人动力学数学模型,设计了一种基于变论域的模糊PID控制器,以ARM的微控制器STM32F103为核心,搭建硬件平台,详细阐述两轮自平衡机器人控制参数整定的原理和方法,实现了两轮自平衡机器人... 针对两轮自平衡机器人的平衡不稳定问题,建立了机器人动力学数学模型,设计了一种基于变论域的模糊PID控制器,以ARM的微控制器STM32F103为核心,搭建硬件平台,详细阐述两轮自平衡机器人控制参数整定的原理和方法,实现了两轮自平衡机器人系统的平衡控制。仿真结果表明:基于变论域模糊PID控制的两轮自平衡机器人响应速度快、抗干扰能力强,能够更好的减小超调量,提高系统的动静态特性和鲁棒性。 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 数学建模 变论域 模糊PID

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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

13

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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基于光电传感器的两轮自平衡机器人控制研究 被引量：3

14

作者 李宗帅 王修岩 +2 位作者 赵卉 倪超 李萃芳 《机床与液压》 北大核心 2014年第15期32-35,62,共5页

针对两轮自平衡机器人的平衡控制问题,基于LEGO机器人构建两轮自平衡机器人本体,采用光电传感器作为倾角检测元件,替代传统的倾角传感器和陀螺仪,以降低成本且避免倾角传感器和陀螺仪的温度漂移。给出了该机器人的本体构成,根据Euler-La... 针对两轮自平衡机器人的平衡控制问题,基于LEGO机器人构建两轮自平衡机器人本体,采用光电传感器作为倾角检测元件,替代传统的倾角传感器和陀螺仪,以降低成本且避免倾角传感器和陀螺仪的温度漂移。给出了该机器人的本体构成,根据Euler-Lagrange方法建立系统的数学模型,采用最优控制实现机器人的平衡控制。最后进行物理实验,实现了机器人的自平衡,效果比较好,具备一定的抗干扰能力,证明基于光电传感器的两轮自平衡机器人的控制是合理有效的。 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 光电传感器 平衡控制 Euler-Lagrange方法

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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

15

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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两轮自平衡机器人转向稳定性优化研究 被引量：4

16

作者 戴福全 李济泽 +1 位作者 朱悦涵 阮玉镇 《机械设计与制造》 北大核心 2017年第4期256-258,262,共4页

由于两轮自平衡机器人具有占地小、可零半径转弯等特点,该类机器人被广泛用于个人交通工具和机器人移动平台。当两轮自平衡机器人快速转向时,由于重心较高,机器人受离心力影响容易侧向倾覆。针对两轮自平衡机器人转向稳定性进行了分析,... 由于两轮自平衡机器人具有占地小、可零半径转弯等特点,该类机器人被广泛用于个人交通工具和机器人移动平台。当两轮自平衡机器人快速转向时,由于重心较高,机器人受离心力影响容易侧向倾覆。针对两轮自平衡机器人转向稳定性进行了分析,在此基础上为传统两轮自平衡机器人增加了摇摆自由度。利用摇摆自由度,机器人可以在转向时主动配置重心位置,进而提高了机器人转向稳定性和安全性。在建立机器人动力学模型基础上,设计了摆动自由度控制器,并通过实验验证了可行性而有效性。 展开更多

关键词 两轮自平衡机器人 转向稳定性 摇摆自由度 动力学控制

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双车把两轮车机器人同步摆把平衡控制研究 被引量：4

17

作者 黄用华 王昌盛 +2 位作者 何淑通 庄未 张杰 《控制工程》 CSCD 北大核心 2019年第7期1262-1269,共8页

针对一种具有两个车把的双轮车机器人系统,提出在同步转动车把的情况下使其保持平衡的方法.采用査普雷金方程建立系统的欠驱动力学模型;根据部分反馈线性化原理将车轮转角线性化,并选择车轮转角为控制输入,设计出系统在原地摆把定车和... 针对一种具有两个车把的双轮车机器人系统,提出在同步转动车把的情况下使其保持平衡的方法.采用査普雷金方程建立系统的欠驱动力学模型;根据部分反馈线性化原理将车轮转角线性化,并选择车轮转角为控制输入,设计出系统在原地摆把定车和曲线行进的平衡控制器;针对控制器参数漂移对系统的影响的问题,引入模糊算法对其进行在线整定以提高控制效果.对车把在±45°范围内转动时的原地和行进中平衡运动控制进行数值仿真研究.结果表明:车架俯仰角经快速调整可以由初始的倾角恢复到平衡位置,并且引入模糊算法参数整定的控制器具有更短的调整时间和较小的超调量.物理样机试验进一步验证了所提的控制器设计的有效性. 展开更多

关键词 双车把两轮车机器人 同步摆把平衡控制 査普雷金方程 部分反馈线性化 模糊算法

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基于Accodometry法的两轮自平衡机器人位置估计研究 被引量：1

18

作者 王晓宇 闫继宏 +1 位作者 秦勇 赵杰 《传感技术学报》 CAS CSCD 北大核心 2007年第4期785-789,共5页

针对两轮自平衡机器人运行过程中遇到打滑、越障、碰撞等异常事件,测程法进行位置估计失效的情况,提出一种Accodometry方法,通过融合码盘与加速度计数据对位置进行估计,解决了非系统测程法误差对机器人位置估计的影响,降低了加速度计固... 针对两轮自平衡机器人运行过程中遇到打滑、越障、碰撞等异常事件,测程法进行位置估计失效的情况,提出一种Accodometry方法,通过融合码盘与加速度计数据对位置进行估计,解决了非系统测程法误差对机器人位置估计的影响,降低了加速度计固有漂移的不利影响,提高了两轮自平衡机器人的定位精度.实验验证了Accodometry方法的有效性,结果显示位置误差降为原来的1/4. 展开更多

关键词 Accodometry法 两轮自平衡机器人 数据融合 位置估计 测程法

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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

19

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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两轮同轴自平衡机器人多传感集成控制 被引量：2

20

作者 黎小巨 梁修贤 +1 位作者 刘文洁 冯志柏 《组合机床与自动化加工技术》 北大核心 2020年第1期111-115,共5页

针对自平衡机器人姿态检测的复杂性,提出了基于陀螺仪和加速度计联合检测的方法,采用双重滤波算法-卡尔曼滤波和DMP(Digital Motion Processing)滤波,准确获取机器人的姿态信息。针对控制过程姿态的多变性,提出了基于PID算法的三闭环反... 针对自平衡机器人姿态检测的复杂性,提出了基于陀螺仪和加速度计联合检测的方法,采用双重滤波算法-卡尔曼滤波和DMP(Digital Motion Processing)滤波,准确获取机器人的姿态信息。针对控制过程姿态的多变性,提出了基于PID算法的三闭环反馈控制策略,且创造性地把超声波和红外传感器相结合,实现了机器人的自平衡、前进后退、转向和自主跟随等控制。通过爬坡和自主跟随实验测试,结果表明该机器人时间响应快、灵活性大、稳定性好。 展开更多

关键词 两轮同轴 自平衡机器人 姿态检测 PID控制

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