碩士開題報(bào)告參考范文

碩士開題報(bào)告參考范文：模糊滑模控制在兩輪自平衡機(jī)器人的應(yīng)用研究（一） 課題來(lái)源、研究目的及意義課題來(lái)源：研究目的及意義：機(jī)器人從發(fā)明到它作為一個(gè)學(xué)科被建立起來(lái)，機(jī)器人技術(shù)不斷完善和發(fā)展，它是人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的最偉大成就之一，機(jī)器人從在地面上爬行發(fā)展到用兩腿直立行走，僅用了二十年的時(shí)間，而人類這一進(jìn)化過(guò)程則歷經(jīng)了數(shù)百萬(wàn)年，機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展［1］。兩輪自平衡小車是移動(dòng)機(jī)器人研究中的一個(gè)重要領(lǐng)域。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)、微電子技術(shù)、材料技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步而發(fā)展，同航天技術(shù)一樣，機(jī)器人的發(fā)展水平甚至代表了一個(gè)國(guó)家的綜合科技實(shí)力平［2］。兩輪自平衡機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知，動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)［3］，是動(dòng)力學(xué)理論和自動(dòng)控制理論與技術(shù)相結(jié)合的研究課題，其關(guān)鍵是解決在完成自身平衡的同時(shí)，還能夠適應(yīng)各種環(huán)境下的控制任務(wù)。利用外加的紅外傳感器、速度傳感器、傾角傳感器、防碰撞開關(guān)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的自主壁障、跟蹤、路徑規(guī)劃［4~6］等復(fù)雜功能。同時(shí)，兩輪自平衡小車還是一個(gè)不穩(wěn)定機(jī)器人動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程是一多變量、強(qiáng)耦合、時(shí)變的非線性高階方程，加上運(yùn)動(dòng)學(xué)方程中的非完整約束，要求完成的任務(wù)也具有多重性。因此，兩輪自平衡小車是一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單的復(fù)雜系統(tǒng)，是檢驗(yàn)各種控制方法處理能力的典型裝置，受到世界各國(guó)科學(xué)家的重視。在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上可以運(yùn)用多種方法進(jìn)行控制［7~13］，比如變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能控制、自適應(yīng)控制［14］等，并對(duì)各種控制方法提出了挑戰(zhàn)，且物理意義明顯，觀察方便，系統(tǒng)具備復(fù)雜系統(tǒng)的特點(diǎn)但其本身又不很復(fù)雜，價(jià)格低廉，占地面積小，是很有潛力的實(shí)驗(yàn)工具。其次建立在自平衡基礎(chǔ)之上的兩輪小車的其他性能，例如復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航、拐角的轉(zhuǎn)彎等問題也極有可能解決在工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活中的許多問題。（二） 國(guó)內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析兩輪自平衡機(jī)器人面世以后，迅速吸引了世界各國(guó)機(jī)器人研究者的興趣［15~20］,1995年美國(guó)著名發(fā)明家迪安卡門開始研制Segway，直到2001年12月，這項(xiàng)高度保密的新發(fā)明才公布出來(lái)，2003年3月正式在美國(guó)市場(chǎng)上市。Segway獨(dú)特的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定技術(shù)與人體的平衡能力相近，五個(gè)固態(tài)陀螺儀、傾斜傳感器、高速微處理器和電動(dòng)機(jī)每秒100次檢測(cè)車體姿態(tài)，測(cè)出駕駛者的重心，瞬間完成計(jì)算，以每秒20000次的頻率進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動(dòng)保持平衡。目前，Segway共擁有三個(gè)主要產(chǎn)品系列HT,XT與GT，但其中最早登場(chǎng)的SegwayHT又依照需求差異，還更細(xì)分為多種尺碼、輸出與用途不同的系列。2002年，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的FelixGrasser等［21］研制出可遙控的兩輪自平衡機(jī)器人Joe，其最大運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到1.5m/s，超過(guò)了人的行走速度。由于兩輪平行布置，每輪各裝有一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Joe能穩(wěn)定地做U型回轉(zhuǎn)。采用解耦狀態(tài)空間控制器來(lái)使系統(tǒng)保持平衡，設(shè)計(jì)者認(rèn)為自適應(yīng)模糊控制可以使Joe的抗干擾能力提高，控制品質(zhì)上升。同年，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的AldoD'arrigo等人也研究了類似于Segway的一種無(wú)線控制的雙輪移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人高65cm、重約12kg，最大速度可以達(dá)到1.5m/s,可以30度爬坡。機(jī)器人雙輪同軸布置，分別有獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人通過(guò)傾斜傳感器和傾角傳感器來(lái)檢測(cè)機(jī)器人的本體的傾斜角度和機(jī)器人的傾斜角速度，每個(gè)電機(jī)上各有一個(gè)編碼盤來(lái)檢測(cè)電機(jī)的速度，并由此來(lái)獲得機(jī)器人的加速度和慣性力。采用了極點(diǎn)配置［22~25］和狀態(tài)反饋線性控制［26,27］方法，能實(shí)現(xiàn)平衡，不過(guò)不能在自己倒地狀態(tài)恢復(fù)到直立。2003年美國(guó)SouthernMethodistUniversity的DavidP.Anderson獨(dú)立設(shè)計(jì)的雙輪移動(dòng)機(jī)器人nBot，被評(píng)為NASA's"CoolRobotoftheWeek"。該機(jī)器人體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其主要設(shè)計(jì)思想是：驅(qū)動(dòng)輪子朝機(jī)器人上部分傾斜的方向前進(jìn)，并使之保持在重心位置之下，機(jī)器人可以保持平衡。機(jī)器人采用兩種傳感器用于反饋控制，傾角傳感器來(lái)測(cè)量重心的傾斜程度，每個(gè)輪子上各安裝有編碼計(jì)來(lái)獲得機(jī)器人的位置信息。該機(jī)器人采用了模糊控制［28~32］方法，能夠?qū)崿F(xiàn)平衡，不過(guò)不能在自己倒地狀態(tài)恢復(fù)到自立國(guó)內(nèi)對(duì)于雙輪自平衡機(jī)器人的研究起步比較晚。2002年10月，臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)部門工業(yè)局大量收集了Segway的相關(guān)資料，提供給國(guó)內(nèi)廠商參考，并鼓勵(lì)廠商利用政府科研的專項(xiàng)基金開發(fā)類似的產(chǎn)品。臺(tái)灣國(guó)立中央大學(xué)電機(jī)工程研究所研制了兩輪自平衡機(jī)器人，該機(jī)器人由個(gè)人電腦通過(guò)無(wú)線通信取得陀螺儀和編碼器的訊號(hào)，經(jīng)過(guò)模糊控制等控制算法處理之后，發(fā)送相對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)給FPGA，由FPGA送出相應(yīng)的脈沖信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人做前進(jìn)、后退等動(dòng)作。連續(xù)五年的改進(jìn)之后，機(jī)器人能夠完成了各種各樣的動(dòng)作，不過(guò)還是沒有實(shí)現(xiàn)直立。同年，河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院聯(lián)合洛陽(yáng)北方企業(yè)集團(tuán)有限公司對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了攻關(guān)和開發(fā)研究。2003年7月制作出了第一臺(tái)樣機(jī)。它由高性能微處理器、姿態(tài)傳感器、智能軟件等組成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的行走平衡控制。隨后進(jìn)行的行走平衡控制試驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)、控制策略設(shè)計(jì)的合理性和有效性。該項(xiàng)目在雙輪行走平衡控制技術(shù)方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。2003年中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系和力學(xué)系多位教授、博導(dǎo)、博士、碩士研究生和本科生聯(lián)合研制完成自平衡電動(dòng)代步車(FreeMover)，是實(shí)用的雙輪平衡車，己經(jīng)能夠?qū)嵱没?。該車?yán)玫沽[控制原理，使車體始終保持平衡。在車體內(nèi)嵌入式CPU的控制下，采集平衡傳感器以及速度、加速度傳感器的數(shù)據(jù)，通過(guò)建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型和控制算法，計(jì)算輸出PWM信號(hào)，自動(dòng)控制兩個(gè)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使車體保持平衡并能夠根據(jù)人體重心的偏移，自動(dòng)前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎。2005年，哈爾濱工程大學(xué)尹亮［33］也在博客上公布了自己制作的雙輪移動(dòng)機(jī)器人Segway，采用AD公司推出的雙軸加速度傳感器ADXL202來(lái)檢測(cè)其車體傾斜角度，采用反射式紅外線距離傳感器測(cè)量距離，應(yīng)用線性控制方法實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的平衡。另外，國(guó)立臺(tái)灣科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安電了科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等很多學(xué)校也開始了對(duì)雙輪自平衡機(jī)器人的研究，并且取得了一定的成果。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)的很多機(jī)器人愛好者也紛紛對(duì)自平衡機(jī)器人進(jìn)行了研究，并且也在網(wǎng)上公布了自己的研究成果，其中由兩個(gè)清華大學(xué)畢業(yè)生組成的研究小組的研究取得了巨大的成果，他們研究的自平衡機(jī)器人chegwav己經(jīng)達(dá)到第四代，并且與日江電器合作，準(zhǔn)備投入量產(chǎn)。

（三）主要研究?jī)?nèi)容本課題本文主要利用模糊滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡機(jī)器人的直立行走，基于MATLAB中Simulink工具箱，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人控制，并用于深圳固高公司生產(chǎn)的GBOT1001型［34］自平衡機(jī)器人研究其運(yùn)動(dòng)控制問題［35~42］。（四）進(jìn)度安排2011年9月~2012年3（四）進(jìn)度安排2011年9月~2012年3月開題報(bào)告。2012年4月~2012年6月2012年7月~2012年9月2012年10月~2012年11月時(shí)驗(yàn)證。2012年12月~2013年3月查閱國(guó)內(nèi)外大量的相關(guān)文獻(xiàn)、書籍、論文。并寫研究現(xiàn)有的控制算法，并歸類總結(jié)。結(jié)合實(shí)際中的控制器提出改進(jìn)算法控制器。對(duì)提出的算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并作實(shí)驗(yàn)分析與實(shí)撰寫論文，準(zhǔn)備答辯。（五）可能遇到的困難和解決措施⑴對(duì)算法的計(jì)算過(guò)程可能會(huì)比較復(fù)雜，在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的的過(guò)程中會(huì)遇到設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)中相互矛盾的性能指標(biāo)取舍的綜合問題。（2） 仿真結(jié)果可能會(huì)和預(yù)想中的不一樣，結(jié)果不一致。（3） 系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究時(shí)，在系統(tǒng)存在外擾和參數(shù)攝動(dòng)情況下，系統(tǒng)性能指標(biāo)是否能滿足設(shè)計(jì)要求。環(huán)境的改變會(huì)造成在理想狀況下得到的機(jī)器人模型誤差變得很大，將使得基于理想模型設(shè)計(jì)的常規(guī)控制器失效。解決措施：隨著對(duì)本課題研究的深入，還會(huì)遇到更多更大的困難。在將來(lái)的學(xué)習(xí)中，我將帶著這些問題和困難查閱各種資料，并向有經(jīng)驗(yàn)的老師和實(shí)驗(yàn)室同學(xué)求教，爭(zhēng)取早日解決，以更好的完成本課題的研究工作。（六）參考文獻(xiàn)［1］ 王耀南.機(jī)器人智能控制工程［M］.北京：科學(xué)出版社，2004.1-4［2］ 李磊，葉濤，譚民，陳細(xì)軍.移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀與未來(lái).機(jī)器人.2002（7）.［3］ 徐國(guó)保，尹怡欣，周美娟.智能移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)狀及展望.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007.［4］ 徐國(guó)華，譚民，移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì).機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2001.［5］ 歐青立，何克忠.室外智能移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)研究.機(jī)器人.2000.［6］ 徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì).機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2001［7］ 葉聰紅，本質(zhì)不穩(wěn)定兩輪小車輔助平衡控制，西安電子科技大學(xué).2006.［8］ 孫泓.兩輪自平衡小車的模糊滑?？刂蒲芯浚跠］.西安：西安電子科技大學(xué)（碩士學(xué)位論文）肖樂.兩輪自平衡機(jī)器人建模及智能控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2011李炎昭.兩輪不穩(wěn)定小車靈敏度分析及控制算法比較研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2010袁澤睿,兩輪自平衡機(jī)器人控制算法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2006.孫啟兵，基于滑模策略的兩輪機(jī)器人的平衡研究，北京工業(yè)大學(xué)，2010.7程剛.兩輪自平衡小車的設(shè)計(jì)與大范圍穩(wěn)定控制的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)（碩士學(xué)位論文），2009.劉小河.自適應(yīng)理論控制及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2011.FelixGrasser,AldoDArrigo,SilvioColombi,AlfredC.Rufer.JOE:AMobile,InvertedPendulum.IEEETransactionsonIndustrialElectronics, vol.49,No.1,February2002GiuseppeOriolo,AlessandroDeLuca,MarilenaVendittelli.WMRControlViaDynamicFe