第 40 卷 第 7 期
2014 年 7 月
北 京 工 业 大 学 学 报
JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol. 40 No. 7
Jul. 2014
具备偏航能力的独轮机器人
朱晓庆
1,2
, 阮晓钢
1
, 孙荣毅
1
, 王摇 旭
1
, 魏若岩
1
(1郾 北京工业大学 电子信息与控制工程学院, 北京 100124; 2郾 麦吉尔大学 智能机器研发中心, 蒙特利尔, H3A 0C3)
摘摇 要: 针对现有文献对基于独轮机器人的动力学方程得到的状态空间方程有较多不足,其为了简化计算忽略了
很多耦合因素的影响,导致系统不可控的问题, 在深入分析独轮机器人动力学方程的基础上得到了其状态空间方
程,并对各耦合项系数进行修正,确保了系统的可控性. 通过设计 LQR 控制器实现了对独轮机器人的自平衡及偏
航控制,并通过仿真和物理实验进行验证,设计了抗干扰实验. 结果表明:所得出的状态空间方程是正确的.
关键词: 独轮机器人; 偏航; 状态空间方程; 鲁棒性
中图分类号: TP 391 文献标志码: A 文章编号: 0254 - 0037(2014)07 - 1099 - 06
Single鄄wheel Robots With Yaw Ability
ZHU Xiao鄄qing
1,2
, RUAN Xiao鄄gang
1
, SUN Rong鄄yi
1
, WANG Xu
1
, WEI Ruo鄄yan
1
(1郾 College of Electronic Information and Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2郾 Centre for Intelligent Machine, McGill University, Montreal H3A 0C3, Canada)
Abstract: There are some mistakes in the state eqution derived by the dynamic equation by omitting
many coupling factors for the sake of simpleness, which is not consistent with the practice, since the
system is not controllable. Based on the dynamic equation, and combined with the practice, this paper
gives out the modified state equation, making sure that it is controlable. A LQR controller is designed to
stabilize the single鄄wheel robot (SWR) and to make it yaw. To test the robustness of the system, two鄄
step disturbances were applied on the lateral and longitudinal direction, respectively. Both the simulation
and the experiment results verify the modified state equation, which lays the fundation for further
advanced control algrothim to be performed on the SWR.
Key words: single鄄wheel robot (SWR); yaw; state space equation; robustness
收稿日期: 2013鄄05鄄31
基金项目: 国家“973冶计划资助项目(2012CB720000); 北京市教育委员会科技计划重点资助项目(KZ201210005001)
作者简介: 朱晓庆(1987—), 男, 博士研究生, 主要从事智能机器人、人工智能、机器人学习方面的研究, E鄄mail: zhuxiaoqing
@ emails. bjut. edu. cn
通信作者: 阮晓钢(1958—), 男, 教授,主要从事人工神经网络、智能信息处理、机器人控制方面的研究, E鄄mail: adrxg@ bjut.
edu. cn
摇 摇 独轮机器人作为一种重要的科学研究机器人,
一直以来受到全世界的强烈关注,特别是日本的村
田少女的问世,使得人们对独轮机器人的兴趣大增.
独轮机器人是典型的欠驱动多耦合系统,因而其控
制难度要难于其他机器人.
独轮机器人是一个俯仰、横滚、偏航 3 个自由度
耦合的复杂系统,对于单自由度一级倒立摆,现有的
控制方法可做到很好的效果. 但是,由于独轮机器
人的单一行走轮特性,使得其成为一个欠驱动的系
统,那就是在侧向平衡不像纵向平衡一样通过轮子
的前后转动达到,因为轮子没办法像螃蟹一样左右
运动,另外独轮机器人转向也缺少驱动机构. 因而,
独轮机器人的侧向平衡及转向问题是独轮机器人研
究的关键,为此世界各国的科研工作者进行了各种
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