一種獨(dú)輪機(jī)器人的有限時間自平衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自動化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種獨(dú)輪機(jī)器人的自平衡控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 獨(dú)輪機(jī)器人一直以來受到全世界的強(qiáng)烈關(guān)注，特別是日本村田制作所的"村田婉 童"的問世，使得人們對獨(dú)輪機(jī)器人的研宄興趣大增。獨(dú)輪機(jī)器人的研宄始于二十世紀(jì) 七八十年代，主要集中于日本、美國等國家。獨(dú)輪機(jī)器人可作為高等院校和科研院所進(jìn)行自 動控制理論、復(fù)雜系統(tǒng)建模與非線性動力學(xué)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和自治系統(tǒng)智能行為等研宄的 實(shí)驗(yàn)平臺，以及用于進(jìn)行有關(guān)自動控制、機(jī)器人學(xué)、人工智能的教學(xué)平臺，由于所需空間小， 控制靈活，還可以作為機(jī)場迎賓、商場導(dǎo)游、圖書館導(dǎo)游等的商業(yè)應(yīng)用。目前，針對獨(dú)輪機(jī)器 人控制，大多數(shù)研宄人員選擇滑模控制，因?yàn)榛？刂瓶梢允寡绣橙藛T自主選擇滑模面和 控制律，具有較強(qiáng)的抗干擾性和魯棒性。但此類控制方法由于不連續(xù)性，存在控制抖振現(xiàn) 象。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目標(biāo)是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出獨(dú)輪機(jī)器人的有限時間自平衡控 制方法，具體是以拉格朗日方程為理論基礎(chǔ)，建立獨(dú)輪機(jī)器人的動力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上 設(shè)計(jì)連續(xù)的有限時間控制方法。該方法能夠快速地使獨(dú)輪機(jī)器人恢復(fù)到平衡狀態(tài)，由于控 制器輸出連續(xù)，因此，傳統(tǒng)滑?？刂频亩墩瘳F(xiàn)象能夠避免，從而降低了飛輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，降 低了控制獨(dú)輪機(jī)器人保持平衡狀態(tài)所需的能量。
[0004] 本發(fā)明方法的步驟包括：
[0005] (一）利用拉格朗日理論建立獨(dú)輪機(jī)器人橫向動力學(xué)模型，具體方法是：
[0006] ①建立獨(dú)輪機(jī)器人的獨(dú)輪、機(jī)器人車體和飛輪的橫向動能方程：
[0007]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種獨(dú)輪機(jī)器人的有限時間自平衡控制方法，其特征在于，該方法具體包括以下步 驟： (一） 利用拉格朗日理論建立獨(dú)輪機(jī)器人橫向動力學(xué)模型，具體方法是： ① 建立獨(dú)輪機(jī)器人的獨(dú)輪、機(jī)器人車體和飛輪的橫向動能方程：
其中山是獨(dú)輪的橫向轉(zhuǎn)動慣量；I 2是車體的橫向轉(zhuǎn)動慣量；I 3是飛輪的橫向轉(zhuǎn)動慣 量；IH1是獨(dú)輪質(zhì)量；m2是車體質(zhì)量（不包含獨(dú)輪，飛輪）；m3是飛輪質(zhì)量；R 1是獨(dú)輪的半徑； I1是車體質(zhì)心到獨(dú)輪質(zhì)心的距離；I2是飛輪質(zhì)心距獨(dú)輪質(zhì)心的距離；α是車體的橫向傾斜 角；Θ是飛輪轉(zhuǎn)過的角度； ② 建立獨(dú)輪機(jī)器人的獨(dú)輪、機(jī)器人車體和飛輪的橫向勢能方程： V1 = m ^R1COS a +m2g (R^l1) cos α (2) +m3g (Rfl2) cos α 其中：g是重力加速度； ③ 根據(jù)拉格朗日理論、動能方程（1)和勢能方程（2)，建立獨(dú)輪機(jī)器人的橫向動力學(xué)模 型：
并且： M = Iii1R1^m2 (Rfl1) 2+m3(Rl+l2) 2+]^+]^ N = (Hi1R^m2 (R^l1) +m3 (R^l2)) g 其中：^是飛輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩； (二） 利用拉格朗日理論建立獨(dú)輪機(jī)器人縱向動力學(xué)模型，具體方法是： ① 建立獨(dú)輪機(jī)器人的獨(dú)輪、機(jī)器人車體和飛輪的縱向動能方程：
其中：14是獨(dú)輪的縱向轉(zhuǎn)動慣量；I 5是車體的縱向轉(zhuǎn)動慣量；I 6是飛輪的縱向轉(zhuǎn)動慣 量；β為車體質(zhì)心在縱向上的偏角；Φ為獨(dú)輪質(zhì)心在縱向上的偏角； ② 建立獨(dú)輪機(jī)器人的獨(dú)輪、機(jī)器人車體和飛輪的縱向勢能方程： V2= m ^R1+m2g (R^l1Cos β ) +m3g (R^l2Cos β ) (5) ③根據(jù)拉格朗日理論、動能方程（4)和勢能方程（5)，建立獨(dú)輪機(jī)器人的縱向動力學(xué)模 型：
其中：u2是獨(dú)輪電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩； (三） 根據(jù)橫向動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)橫向的有限時間自平衡控制器如下：
<5 \^i ^ ^ ^ 'M = Mk2k3；
a通常在區(qū)間[2,5]; (四） 根據(jù)縱向動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)縱向的有限時間自平衡控制器如下：
其中
^為車體質(zhì)心在縱向上的參考偏角。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種獨(dú)輪機(jī)器人的有限時間自平衡控制方法。本發(fā)明首先根據(jù)獨(dú)輪機(jī)器人橫向平衡方向以及獨(dú)輪機(jī)器人的縱向平衡方向，采用拉格朗日理論，分別建立橫向和縱向的動力學(xué)模型；然后，檢測獨(dú)輪機(jī)器人橫向車體偏角和縱向車體質(zhì)心偏角，通過橫向有限時間自平衡控制器和縱向有限時間自平衡控制器，控制獨(dú)輪機(jī)器人的飛輪和獨(dú)輪的轉(zhuǎn)動角度，從而使獨(dú)輪機(jī)器人在橫向和縱向上保持平衡狀態(tài)。本發(fā)明的有限時間自平衡控制方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)滑模控制方法的不足，是一種連續(xù)并能在有限時間內(nèi)保持獨(dú)輪機(jī)器人平衡的控制方法，同時降低了獨(dú)輪機(jī)器人的能量損耗。本發(fā)明可以使獨(dú)輪機(jī)器人始終保持平衡狀態(tài)。
【IPC分類】G05D1-08, G05B13-04
【公開號】CN104749955
【申請?zhí)枴緾N201510122098
【發(fā)明人】呂強(qiáng), 王平, 張皓潔, 王堅(jiān)
【申請人】杭州電子科技大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月19日