| 【中文题名】 | 基于变结构控制的两轮自平衡小车系统设计与实现 |
| 【英文题名】 | The Design and Realization of a Self-balanced Two-wheel Vehicle Based on Variable Structure Control |
| 【学科专业】 | 控制理论与控制工程 |
| 【论文级别】 | 硕士论文 |
| 【投稿时间】 | 2006-12-29 |
| 【中关键词】 | 两轮自平衡小车,动力学建模,变结构控制,计算机仿真,系统实现, |
| 【英关键词】 | a self-balanced two-wheel vehicle,dynamical model,variable structure control,computer simulation,system realization, |
| 【分类导航】 | 工业技术>自动化技术、计算机技术>自动化技术及设备>机器人技术>机器人> |
| 【论文摘要】 |
近年来,对非完整移动机器人的理论和应用研究日益受到国内外控制界的重视。广义的说任何带有轮式移动驱动机构的机械装置如卡车等都属于这类机器人范畴,因而它具有广泛的应用背景。另一方面,此类动力学系统由于具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性,加上运动学方程中的非完整约束,使传统控制理论遇到极大困难。因此研究非完整轮式移动机器人具有十分重要的意义。两轮自平衡小车作为一种本质不稳定的轮式移动机器人更是受到各国研究者的关注。
基于以研究性实验室建设为目的的项目开展和实验室工作的规划,两轮自平衡小车系统显然是一个较完善的控制理论和控制技术研究的试验平台。本文首先介绍了国内外两轮自平衡小车的发展现状,基于此现状提出了我们的两轮自平衡小车的软硬件设计方案,并完成了硬件平台的子系统实验。其次对两轮自平衡小车系统进行了运动学和动力学建模,给出了系统在三种不同状态下的数学模型。然后基于此模型进行了系统能控能观性和稳定性分析,并依此运用变结构控制理论之最终滑动模态控制方法设计出系统的控制器。最后借助MATLAB对该系统进行了计算机仿真,通过与状态反馈控制器在有外部扰动和系统参数摄动情况下的比较,证实了变... |
| 【论文题纲】 |
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创新性声明 |
2 |
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关于论文使用授权的说明 |
2-3 |
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摘要 |
3-4 |
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Abstract |
4-7 |
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第一章 绪论 |
7-13 |
|
1.1 两轮自平衡小车的研究意义 |
7 |
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1.2 移动机器人的发展历程及研究现状 |
7-12 |
|
1.2.1 移动机器人的发展历程 |
7-10 |
|
1.2.2 两轮自平衡小车的国外研究现状 |
10-11 |
|
1.2.3 两轮自平衡小车的国内研究现状 |
11-12 |
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1.3 本文的工作 |
12-13 |
|
第二章 两轮自平衡小车的构成 |
13-21 |
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2.1 两轮移动小车体系结构的构建 |
13-16 |
|
2.2 两轮自平衡小车的总体构成 |
16 |
|
2.3 两轮自平衡小车的驱动单元 |
16-18 |
|
2.4 两轮自平衡的传感器单元 |
18-19 |
|
2.5 计算机控制单元 |
19-20 |
|
2.6 本章小结 |
20-21 |
|
第三章 两轮自平衡小车的运动学和动力学建模 |
21-35 |
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3.1 系统动力学建模概要 |
21-23 |
|
3.2 两轮自平衡小车运动学和动力学建模 |
23-33 |
|
3.2.1 运动学方程 |
24-25 |
|
3.2.2 动力学方程 |
25-33 |
|
3.2.3 系统状态方程 |
33 |
|
3.3 本章小结 |
33-35 |
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第四章 两轮自平衡小车的分析 |
35-41 |
|
4.1 能控性和能观性 |
35-36 |
|
4.1.1 能控性 |
35-36 |
|
4.1.2 能观性 |
36 |
|
4.2 稳定性 |
36-37 |
|
4.3 多变量系统的极点配置 |
37-39 |
|
4.4 本章小结 |
39-41 |
|
第五章 基于变结构控制理论的自平衡控制器设计 |
41-57 |
|
5.1 引言 |
41-42 |
|
5.2 变结构控制理论 |
42-52 |
|
5.2.1 滑模变结构控制系统的定义 |
42-45 |
|
5.2.2 变结构系统的切换函数 |
45-47 |
|
5.2.3 变结构控制系统的品质 |
47-49 |
|
5.2.4 变结构控制系统的设计 |
49-52 |
|
5.3 自平衡控制器的设计 |
52-55 |
|
5.3.1 极点配置法切换函数的设计 |
52-54 |
|
5.3.2 最终滑动模态控制 |
54-55 |
|
5.4 本章小结 |
55-57 |
|
第六章 计算机仿真和比较 |
57-63 |
|
6.1 系统仿真概述及MATLAB语言 |
57-58 |
|
6.2 系统仿真比较 |
58-61 |
|
6.2.1 状态反馈和变结构控制 |
58-59 |
|
6.2.2 系统外部扰动对状态反馈控制器和变结构控制器的影响 |
59-60 |
|
6.2.3 系统参数不确定性对状态反馈控制器和变结构控制器的影响 |
60-61 |
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6.3 仿真结论 |
61-63 |
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第七章 两轮自平衡小车的实现 |
63-68 |
|
7.1 二维平面陆地移动小车系统的实现 |
63-66 |
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7.2 三轴联动电机控制实验 |
66-67 |
|
7.3 PCI 卡接口实验 |
67-68 |
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结束语 |
68-69 |
|
致谢 |
69-70 |
|
参考文献 |
70-72 |
|
研究成果 |
72-73 |
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附录 A |
73-74 |
|
附录 B |
74 |
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| 【DOI】 | LunWen.ID:2.2008.381400 |
