两轮自平衡机器人的控制方法研究

由于两轮自平衡机器人在工业和社会的应用日益广泛,结合传统的机器人控制理念,提出了两种思路新颖、效果更优的控制方法.在数学建模基础上对自平衡机器人的运动进行分析,把非线性模型线性化.并针对两轮自平衡机器人平衡点线性化模型,采用现代控制理论经典的极点配置方法设计状态反馈控制器,对初始倾角及初始位移控制进行了仿真分析,同时也运用了LQR方法,对现代控制理论中的状态空间方程给出的线性系统进行研究,对倾角控制和位移控制进行仿真.     

基于参数寻优的自学习算法在两轮机器人控制上的应用

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.     

基于GA的两轮自平衡小车LQR最优控制器设计

针对传统LQR最优控制器权重矩阵确定困难以及由此导致的响应速度慢等问题,以具有多变量、强耦合、非线性特点的两轮自平衡小车为被控对象,提出了一种通过遗传算法实现LQR控制器参数寻优的方法。选择线性二次型性能指标为目标函数,利用遗传算法的全局优化搜索能力,获取权阵Q的最优解,从而设计状态反馈控制率K,搭建系统动力学模型进行仿真实验。实验结果表明:该方法设计的最优控制器相对于传统的极点配置和LQR方法具有更好的控制效果,系统响应速度更快,超调更小。     

基于非线性PID的柔性两轮机器人运动控制

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.

     

两种控制策略在直线二级倒立摆中的仿真应用

对直线二级倒立摆系统进行稳定控制及仿真。研究了系统的物理结构,创建了数学模型,从而获得系统的线性状态空间方程。分析了整个系统的稳定性与能控能观性。设计了系统的极点配置与LQR控制器,利用Matlab软件的Simulink模块对系统及其受到干扰时实施仿真。由仿真曲线可以总结出,设计的极点配置控制器和LQR控制器有满意的控制效果,使倒立摆直立不倒。极点配置法反应迅速,调节时间短,但超调量较大,不易选择期望极点;LQR最优控制法超调量小,振荡也小,但整个系统反应较迟缓,过渡时间长。     

两轮自平衡机器人的LQR改进控制

针对传统LQR最优控制器选取权阵的不确定性以及由此引发的响应速度慢的问题,对两轮自平衡机器人系统进行改进控制,使用传统LQR算法进行系统控制,并对存在的问题提出解决方法,选择一加权矩阵使系统稳定性得到进一步的提高,对比改进前后的LQR控制器,使用MATLAB进行仿真对比,可以得出优化后的LQR具有良好的控制效果,达到了预期效果,并具有良好的稳定性.     

基于混合粒子群优化的仿袋鼠机器人站立平衡控制

为提高仿袋鼠机器人的站立平衡控制性能,基于混合粒子群算法对机器人的平衡控制进行了优化.首先,将在地面站立平衡时的仿袋鼠机器人简化成一个倒立摆模型,使用拉格朗日方法对机器人进行动力学建模.然后,基于机器人的动力学模型设计了线性二次型控制器,并使用混合粒子群算法对线性二次型控制器的权重矩阵进行优化.最后,使用优化的线性二次型控制器对仿袋鼠机器人站立平衡控制进行了仿真实验.优化后的控制器的调节时间比优化前明显缩短,结果表明:基于混合粒子群算法优化的线性二次型(linear quadratic regulator,LQR)控制器可以提高系统的稳定性和鲁棒性,能有效降低控制器参数的整定工作量.     

星面探测仿生间歇式跳跃机器人设计及实现

为提高仿袋鼠机器人的站立平衡控制性能,基于混合粒子群算法对机器人的平衡控制进行了优化.首先,将在地面站立平衡时的仿袋鼠机器人简化成一个倒立摆模型,使用拉格朗日方法对机器人进行动力学建模.然后,基于机器人的动力学模型设计了线性二次型控制器,并使用混合粒子群算法对线性二次型控制器的权重矩阵进行优化.最后,使用优化的线性二次型控制器对仿袋鼠机器人站立平衡控制进行了仿真实验.优化后的控制器的调节时间比优化前明显缩短,结果表明：基于混合粒子群算法优化的线性二次型（linear quadratic regulator,LQR）控制器可以提高系统的稳定性和鲁棒性,能有效降低控制器参数的整定工作量.

     

两轮自平衡机器人运动控制研究

轮式移动机器人是典型的不完整控制系统,其自身的不确定性影响控制的性能.以两轮自平衡机器人为研究对象,建立了机器人的运动学与动力学模型.利用多惯性传感器信息融合建立的基于T-S模糊模型的模糊控制器有效地解决了两轮自平衡机器人平衡控制的问题,并同时对轨迹跟踪的问题进行了探讨.仿真结果表明,通过多惯性传感器的信息融合建立的控制器对于机器人的平衡和跟踪问题是有效的,并在实际的实验中得到了验证.     

两轮直立式自平衡移动机器人的控制系统设计

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.     

粒子群优化LQR控制器在环形倒立摆中的应用

为解决环形倒立摆控制中试探法难以确定LQR控制器最优Q和R矩阵的问题,采用Bang-Bang法对倒立摆进行了起摆控制,利用拉格朗日法建立了垂直位置附近的线性化模型.采用LQR进行了平衡位置控制,采用粒子群算法优化了LQR控制器的加权矩阵.对加入了噪声扰动的模型输出进行了卡尔曼滤波处理.仿真结果表明:基于粒子群的加权矩阵寻优算法可以迭代解算出Q和R的最优矩阵,粒子群LQR控制器可以提高系统鲁棒性,减小起摆时延,提高平衡位置稳定性.     

基于极点配置算法的列车横向半主动悬挂自适应PID控制系统设计

为了使PID控制器具备自适应能力,以适应列车受到外部环境扰动时产生的结构参数变化,使用了增量式数字PID控制器,将PID控制器与极点配置控制算法结合,利用极点配置算法在线实时优化kP,kI,kD参数,设计了自适应极点配置PID控制器,实现了kP,kI,kD参数的自动校正.最后给出基于极点配置自适应PID的高速列车半主动悬挂控制系统的设计方案,利用MATLAB-Simulink搭建仿真平台并进行仿真.仿真结果表明：基于极点配置算法的列车半主动悬挂自适应PID控制系统能够有效降低列车横向振动.     

柴油发电机调速系统极点配置和LQR控制设计

柴油发电机调速器稳定性主要取决于柴油发电机调速系统的转速响应特性。文章分析了柴油机发电机调速特性,建立了柴油发电机调速系统的数学模型,得到柴油机调速系统参数表达式。应用现代控制理论,进行控制器的选择,分析比较闭环状态反馈极点配置控制器和最优控制策略LQR控制器,以完善调速器参数。通过仿真系统状态在阶跃响应和参数摄动时响应曲线,分析比较仿真结果,结果显示该设计的发电机调速系统具有更好的动态性能,并且改善了系统频率的稳定性。     

独轮机器人侧向通道建模与控制

利用拉格朗日建模方法推导出基于惯性飞轮平衡原理的独轮机器人侧向通道动力学方程.在该动力学方程基础上分别设计了PD和LQR两种控制器, 并分别进行了仿真和物理实验验证.实验中独轮机器人从侧倾一定角度, 在控制的惯性飞轮运动作用下最终回到竖直平衡位置, 完成了独轮机器人侧平衡控制目标.仿真和物理实验结果均证明了所建立的动力学方程的正确性和控制器的有效性.     

基于VGLPV极点配置的非完整机器人轨迹跟踪鲁棒H_∞控制

针对非完整移动机器人模型中存在的动态不确定性,提出一种基于线性变参数的鲁棒H_∞控制,并同时具有极点配置的轨迹跟踪控制器。采用欧拉-拉格朗日方程建立机器人轨迹跟踪动态方程;利用变增益线性变参数凸分解技术,将这一动态模型转化为具有凸多面体结构的线性变参数模型;根据鲁棒控制理论和线性矩阵不等式理论,在凸多面体的各个顶点设计状态反馈控制器,然后利用各个顶点控制器综合得到线性变参数控制器。仿真结果表明,机器人对于参数的变化具有良好的跟踪性能。     

路面激励下主动悬架和四轮转向的协调控制

为了研究主动悬架和四轮转向系统的协调控制,建立包含悬架系统和转向系统的整车动力学模型.基于LQR控制理论分别设计了主动悬架和四轮转向的控制器,对比分析不同加权系数时车辆在路面激励下的频率响应,研究了主动悬架和四轮转向的控制对车辆操纵稳定性的影响;针对车辆的稳态响应(不考虑路面激励的影响),采用横摆率跟踪控制策略进行前后轴主动悬架控制力的匹配控制;在主动悬架和四轮转向2个单独控制器的基础上,以主动悬架控制力的匹配为主要协调机制,设计了主动悬架和四轮转向的协调控制器,对两者的控制量进行调整.仿真结果表明,主动悬架和四轮转向的协调控制可以获得优于两者简单叠加时的整车综合性能.     

SWATH船纵向运动的区域极点配置LQ最优控制研究

为了改善SWATH船的纵向运动性能,并使其具有较好的鲁棒性能,采用区域极点配置LQ最优控制方法设计了SWATH船纵向运动的控制器,并利用MATLAB对控制前后SWATH船的纵向运动性能进行了仿真分析.仿真结果表明,所设计的SWATH船区域极点配置LQ最优控制器不但能够保证SWATH船的纵向运动稳定性,而且具有较好的控制性能和鲁棒性.     

一种具有动态可调最优极点配置的机器人控制方案

本文研究一种具有动态可调的最优极点配置机器人的控制问题，首先，给出机器人具有非线性前馈补偿的线性摄动方程，并给出多变量系统最优极点配置的递推计算公式。然后，讨论机器在Ｋ时刻进行单步希望极点配置的控制方案，从而实现整个控制过程极点可调．后，给出一典型两连杆机器人的设计实例及计算机数字仿真结果。     

船舶航向非线性系统的H_∞鲁棒控制与仿真

针对船舶航向非线性控制系统的数学模型,在考虑船舶操舵伺服机构特性的情况下,基于状态反馈线性化方法,采用闭环增益成形算法设计出了船舶航向鲁棒控制器。利用Matlab/Simulink工具箱进行仿真,结果表明,所设计的鲁棒控制器与采用极点配置法设计的鲁棒镇定控制器相比,具有较好的控制性能,对风浪干扰也具有很强的鲁棒性。     

液压旋翼飞行机械臂系统建模与控制方法

在旋翼飞行机器人上加装机械臂而得到一种新的飞行机器人系统,扩展了旋翼飞行机器人的应用范围。本研究将小型液压机械臂系统应用到已有的旋翼飞行机器人上,通过分析无人机与机械臂的运动耦合,得到悬停模式下液压旋翼飞行机械臂系统的整体动力学模型;用LQR控制器控制机械臂完成平面内摆动动作;将机械臂运动对机器人本体的影响作为扰动进行考虑,并采用鲁棒控制器来稳定旋翼飞行机器人悬停时的位姿。通过仿真验证了本文所述模型结构与控制策略的有效性。