倒立擺自平衡控制【業(yè)界相關(guān)】

1、兩輪機(jī)器人自平衡控制,電自化1002班 許月朋,1,驕陽(yáng)書苑,倒立擺的概念,倒立擺是處于倒置不穩(wěn)定狀態(tài)，人為控制使其處于動(dòng)態(tài)平衡的一種擺。如雜技演員頂桿的物理機(jī)制可簡(jiǎn)化為一級(jí)倒立擺系統(tǒng)，是一個(gè)復(fù)雜、多變量、存在嚴(yán)重非線性、非自治不穩(wěn)定系統(tǒng),2,驕陽(yáng)書苑,倒立擺的概念,3,驕陽(yáng)書苑,倒立擺的概念,常見(jiàn)的倒立擺系統(tǒng)一般由小車和擺桿兩部分構(gòu)成，其中擺桿可能是一級(jí)、兩級(jí)甚至多級(jí)。在復(fù)雜的倒立擺系統(tǒng)中，擺桿長(zhǎng)度和質(zhì)量均可變化。據(jù)研究的目的和方法不同，又有懸掛式倒立擺、球平衡系統(tǒng)和平行式倒立擺等,4,驕陽(yáng)書苑,倒立擺的概念,5,驕陽(yáng)書苑,目前應(yīng)用前景,村田的獨(dú)輪機(jī)器人村田少女,美國(guó)NASA研制的機(jī)器宇航員

2、B,6,驕陽(yáng)書苑,目前應(yīng)用前景,segway 賽格威 思維車,7,驕陽(yáng)書苑,剛性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,Newton法：應(yīng)用質(zhì)心動(dòng)量矩定理寫出隔離體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，在動(dòng)力學(xué)方程中出現(xiàn)相鄰剛體間的內(nèi)力矩，其物理意義明確，并且表達(dá)了系統(tǒng)完整的受力關(guān)系。 2005年，Kim等運(yùn)用Newton法建模得出結(jié)論：兩輪機(jī)器人系統(tǒng)在低速運(yùn)行時(shí)，其航向的變化對(duì)兩輪機(jī)器人的姿態(tài)平衡沒(méi)有明顯的影響,8,驕陽(yáng)書苑,剛性系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,Lagrange方程法：由Hamilton原理出發(fā)，求出能量函數(shù)或Hamilton函數(shù)，以能量方式建模。 Salerno和Angeles運(yùn)用Lagrange方程法建模證明雙輪自平衡機(jī)器人在平衡位置

3、小范圍局部可控，以及平衡點(diǎn)以外任意狀態(tài)均為局部可達(dá),9,驕陽(yáng)書苑,控制結(jié)構(gòu),兩輪機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平衡控制包含兩個(gè)方面： （1）平衡控制。兩輪機(jī)器人需要始終保持直立式的姿態(tài) （2）運(yùn)動(dòng)控制。兩輪機(jī)器人在保持姿態(tài)平衡的同時(shí)，還需要完成各種機(jī)動(dòng)任務(wù)，如行動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、自旋、越障等,10,驕陽(yáng)書苑,直立控制,轉(zhuǎn)彎控制,11,驕陽(yáng)書苑,兩輪機(jī)器人的姿態(tài)檢測(cè),為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平衡控制，兩輪直立式機(jī)器人需要取得有關(guān)自身運(yùn)動(dòng)速度、行進(jìn)方向、直立姿態(tài)等信息，其中，平衡姿態(tài)的檢測(cè)是最為重要的。同人一樣，為了保持直立姿態(tài)，兩輪機(jī)器人需要具有平衡感，因而，需要具備姿態(tài)傳感器，來(lái)實(shí)現(xiàn)姿態(tài)檢測(cè)能力,12,驕陽(yáng)書苑,兩輪機(jī)器人的姿態(tài)檢

4、測(cè),姿態(tài)檢測(cè)（attitude detection）問(wèn)題，是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包括機(jī)器人系統(tǒng)、船舶、飛機(jī)、導(dǎo)彈等，是普遍存在的問(wèn)題。姿態(tài)檢測(cè)需要姿態(tài)傳感器。姿態(tài)傳感器種類繁多，不同的姿態(tài)傳感器，其構(gòu)造和原理各不相同,13,驕陽(yáng)書苑,三維空間中三種姿態(tài),1.俯仰姿態(tài),14,驕陽(yáng)書苑,三維空間中三種姿態(tài),2.橫滾姿態(tài),15,驕陽(yáng)書苑,三維空間中三種姿態(tài),3.偏航姿態(tài),16,驕陽(yáng)書苑,姿態(tài)檢測(cè)元件,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量，一般需要慣性測(cè)量元件（IME） ，包括陀螺儀、加速度計(jì)、傾角儀、羅盤等,17,驕陽(yáng)書苑,姿態(tài)檢測(cè)元件,陀螺儀（gyroscope）是一種重要的慣性測(cè)量元件，是檢測(cè)隨剛體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生角位移或角速度

5、的傳感器,18,驕陽(yáng)書苑,姿態(tài)檢測(cè)元件,加速度計(jì)（accelerometer）用于測(cè)量于慣性有關(guān)的加速度，包括旋轉(zhuǎn)、重力和線加速度。加速度計(jì)通過(guò)三角函數(shù)運(yùn)算得到傾斜角度,19,驕陽(yáng)書苑,兩輪機(jī)器人的PID控制,PID控制是種簡(jiǎn)單有效的普適性控制策略，兩輪平衡機(jī)器人的三個(gè)控制環(huán)節(jié)均可以采用PID控制策略。 PID控制是 Minorsky 在研究船舶駕駛伺服機(jī)構(gòu)的過(guò)程中提出來(lái)的，之后成為自動(dòng)控制理論中最為經(jīng)典的自動(dòng)控制方法?，F(xiàn)在的工業(yè)過(guò)程中，80%90%的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了PID控制策略,20,驕陽(yáng)書苑,PID控制概念,PID控制，即“比例-積分-微分”控制策略 （1）P(proportion)：

6、比例控制，控制量u(t)與誤差e(t)成正比。 （2）I(integral)：積分控制，控制量u(t)與誤差e(t)的積分成正比。 （3）D(differential)：微分控制，控制量u(t)與誤差e(t)的微分成正比,21,驕陽(yáng)書苑,PID整定,公式： PID控制器的輸出為：誤差乘比例系數(shù)Kp+積分系數(shù)Ki*誤差積分+微分Kd*誤差微分。Kp*e + Ki*edt + Kd*（de/dt） （式中的t為時(shí)間，即對(duì)時(shí)間積分、微分） 口訣： 參數(shù)整定找最佳， 從小到大順序查。 先是比例后積分， 最后再把微分加,22,驕陽(yáng)書苑,PID形象解釋,制模型：你控制一個(gè)人讓他以PID控制的方式走110步

7、后停下。 （1）P比例控制，就是讓他走110步，他按照一定的步伐走到一百零幾步（如108步）或100多步（如112步）就停了,23,驕陽(yáng)書苑,PID形象解釋,2）PI積分控制，就是他按照一定的步伐走到112步然后回頭接著走，走到108步位置時(shí)，然后又回頭向110步位置走。在110步位置處來(lái)回晃幾次，最后停在110步的位置,24,驕陽(yáng)書苑,PID形象解釋,3）PD微分控制，就是他按照一定的步伐走到一百零幾步后，再慢慢地向110步的位置靠近，如果最后能精確停在110步的位置，就是無(wú)靜差控制；如果停在110步附近（如109步或111步位置），就是有靜差控制。,25,驕陽(yáng)書苑,角度控制,26,驕陽(yáng)書苑,角度控制,角度控制采用PD控制 輸出=角度乘以比例參數(shù)+角速度乘以積分參數(shù),27,驕陽(yáng)書苑,角度控制,28,驕陽(yáng)書苑,速度控制,29,驕陽(yáng)書苑,速度控制,速度控制采用PI控制