两轮机器人行走机构的建模与实验

第24卷 第12期2004年12月北京理工大学学报

TransactionsofBeijingInstituteofTechnology

Vol.24 No.12Dec.2004

  文章编号:100120645(2004)1221058204

两轮机器人行走机构的建模与实验

李 航1,2, 孙厚芳1, 韩建海2, 李济顺2, 赵书尚2, 林青松2

(11北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081;21河南科技大学机电工程学院,河南,洛阳 471003)

摘 要:研究两轮机器人行走机构的系统组成及数学模型的建立,并进行了仿真和样机实验Ζ行走机构由机械行走装置、姿态监测传感器和控制器组成,左右车轮由2个直流伺服电动机分别驱动,姿态监测使用陀螺仪和倾角传感器Ζ在建立系统结构模型的基础上,利用Lagrange方法建立系统的动力学方程Ζ根据线性系统理论,在Matlab环境下设计了状态反馈控制器,通过仿真验证了系统的稳定性Ζ采用样机进行实际行走控制实验,验证了系统建模和控制器设计的合理性和有效性Ζ

关键词:两轮机器人;数学建模;状态控制;陀螺仪中图分类号:TP24216   文献标识码:A

ModelingandExperimentsofaCoaxialTwoWheelRobot

LIHang

1,2

2

, SUNHou2fang1, HANJian2hai2, LIJi2shun2, ZHAOShu2shang2, LINQing2song

(11SchoolofMechanicalandVehicularEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;21Schoolof

MechatronicsEngineering,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang,Henan471003,China)

Abstract:Thestructureandmathematicalmodelingofatwowheelcoaxialrobotarestudied.Thesystemismadeupofamobilemechanism,sensorforpostureobservationandthecontroller.TherightandleftwheelsaredrivenseparatelybytwoDCservomotors.Gyroscopeandanglesensorsareusedforpostureobservation.Onthebasisofbuildingupthesystemstructuremodel,kineticequationisbuiltupusingtheLagrange’smethod.Withthelinearsystemtheory,state2feedback.controllerisdesignedonMatlab,andthestabilityofsystemisprovedbysimulationresultsValidityandrationalityofthesystemmodelingandthedesignedcontrollerareverifiedthroughtheperformanceexperimentsoftheprototype.

Keywords:coaxialtwowheelsrobot;mathematicmodeling;posturecontrol;gyroscope

  本文提出的两轮机器人行走机构外型结构如图1所示,它是一个两轮同轴左右平行布置结构,两轮

分别驱动,由控制两轮的转速差实现直行和定半径转弯Ζ由于这种结构具有极强的灵活性,而且它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性[1~3],因而对其理论及控制系统的研究受到国内外机器人领域的高度重视Ζ

最早研究这种行走机构的是日本电气通信大学

的山藤和男教授,他研究两轮行走平衡控制技术,并获“平行双轮机器人”专利Ζ近两年该项技术开始成为全球机器人控制技术的研究热点之一,美国和日本的研究机构及公司相继开始了这方面的应用研究并取得了初步成果Ζ

两轮行走机构是自然不稳定体,为高阶次、不稳

收稿日期:20040227

基金项目:河南省科技攻关项目(0424220152)

作者简介:李 航(1962-),男,在职博士生;孙厚芳(1943-),女,教授,博士生导师,E2mail:sun2hf@http://www.mianfeiwendang.comΖ

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