基于Udwadia?Kalaba理论的自行车机器人平衡控制方法

针对自行车机器人侧向自平衡问题，以一类装有角动量轮的自行车机器人为研究对象，提出一种新的平衡控制方法。该方法根据自行车机器人静止时刻的侧向平衡条件，构造机器人平衡控制的运动学约束，并将平衡约束视为控制目标。基于Udwadia?Kalaba（U?K）理论，建立满足机器人侧向平衡的扭矩解析模型，设计基于模型的平衡约束跟随控制器。研究结果表明，所提控制方法能够实现自行车机器人的侧向平衡，克服机器人侧向横滚角θ初始偏差的干扰，通过对平衡扭矩模型的计算，对自行车机器人进行主动平衡控制。相较于传统PD反馈控制方法，该种基于模型设计的控制方法，具有系统响应速度快、超调量小和控制扭矩易于优化等特点。借助MATLAB软件，对所提控制方法进行了仿真验证，实现了初始横滚角速度分别为0、1、2、5°·s?1条件下的自行车机器人侧向自平衡控制，仿真结果验证了控制系统的稳定性和有效性，为无人驾驶自行车机器人的平衡控制领域提供了一个新的思路。