独轮机器人——控制系统设计 .docx

独轮机器人控制系统设计 独轮机器人是一个具有非线性、强耦合的复杂动力学系统，对控制理论和动力学研究来说是一个大挑战，也是一个非常好的研究模型。本文设计了一款独轮机器人，侧重分析独轮机器人的运动，并建立动力学模型以及编写控制程序。 一、电子陀螺仪的选择和数据修正 独轮机器人使用 mpu9250 电子陀螺仪捕获运动姿态，电子陀螺仪的数据带有偏差和噪声的问题，本文对数据进行修正处理，设计滤波算法，并使用 MATLAB 软件进行了初步的检验分析，并使用 arduino 实物进行实践验证。 二、动力学模型的建立 独轮机器人的动力学系统具有多变量强耦合的特点，为使设计简单，本文对独轮机器人的倾倒过程拆解成前后倾倒与左右倾倒的组合，对每个轴向的倾倒运动独立分析、建立动力学模型，并对控制系统进行设计与仿真。 三、PD 控制系统的设计 在左右倾倒控制的设计中，通过分析倾倒过程中受到的力的变化、角度的变化、角速度的变化，得到了 PD 控制系统。但在左右倾倒仿真中发现，该控制系统不能区分出独轮机器人的倾倒和回摆的区别。 四、PID 控制系统的设计 为解决控制系统无法识别回摆与倾倒的区别的问题，本文对倾倒过程再度分析，在原控制系统上加入了积分项，也就是角度参数。角度参数可以使得控制系统清楚独轮机器人需要恢复到何位置。本文再次对控制系统进行了检验，发现此时的控制系统已经能够区分回摆和倾倒，并能够使得独轮机器人经过几次抖动后便恢复到直立状态。 五、无线充电装置的设计 本文为独轮机器人设计了无线充电装置，初期制作了特斯拉线圈进行无线充电，实践中发现特斯拉线圈能放电的特点存在很大危险性，故改使用线圈式的无线充电装置。文中对线圈式无线充电进行了实际检测，由测试的数据得知，本文制作的线圈式无线充电装置功率足够独轮机器人使用。 六、结论 本文设计了一款独轮机器人，并对其进行了详细的分析和研究，设计了 PID 控制系统，实现了独轮机器人的控制，并对无线充电装置进行了设计和检测。本文为独轮机器人提供了一个完整的解决方案，具有很高的实际应用价值。