兩輪機(jī)器人自平衡控制電自化1002班許月朋1倒立擺得概念

倒立擺就是處于倒置不穩(wěn)定狀態(tài),人為控制使其處于動(dòng)態(tài)平衡得一種擺。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倒立擺得概念3倒立擺得概念

常見得倒立擺系統(tǒng)一般由小車與擺桿兩部分構(gòu)成,其中擺桿可能就是一級(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倒立擺得概念5目前應(yīng)用前景村田得獨(dú)輪機(jī)器人村田少女美國(guó)NASA研制得機(jī)器宇航員B6目前應(yīng)用前景segway賽格威思維車7剛性系統(tǒng)得數(shù)學(xué)模型Newton法:應(yīng)用質(zhì)心動(dòng)量矩定理寫出隔離體得運(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)平衡沒有明顯的影響。8大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流9剛性系統(tǒng)得數(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與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)。10控制結(jié)構(gòu)兩輪機(jī)器人得運(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。11直立控制轉(zhuǎn)彎控制12兩輪機(jī)器人得姿態(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)得檢測(cè)就是最為重要的。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，來實(shí)現(xiàn)姿態(tài)檢測(cè)能力。13兩輪機(jī)器人得姿態(tài)檢測(cè)姿態(tài)檢測(cè)(attitudedetection)問題,就是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包括機(jī)器人系統(tǒng)、船舶、飛機(jī)、導(dǎo)彈等，是普遍存在得問題。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)造與原理各不相同。14三維空間中三種姿態(tài)1、俯仰姿態(tài)15三維空間中三種姿態(tài)2、橫滾姿態(tài)16三維空間中三種姿態(tài)3、偏航姿態(tài)17姿態(tài)檢測(cè)元件

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)得姿態(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。

18姿態(tài)檢測(cè)元件陀螺儀(gyroscope)就是一種重要得慣性測(cè)量元件,是檢測(cè)隨剛體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生角位移或角速度的傳感器。19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)得加速度,包括旋轉(zhuǎn)、重力與線加速度。加速度計(jì)通過三角函數(shù)運(yùn)算得到傾斜角度。20兩輪機(jī)器人得PID控制

PID控制就是種簡(jiǎn)單有效得普適性控制策略,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)的過程中提出來的，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)過程中，80%~90%的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用了PID控制策略。21PID控制概念

PID控制,即“比例-積分-微分”控制策略(1)P(proportion):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)得積分成正比。（3）D(differential)：微分控制，控制量u(t)與誤差e(t)的微分成正比22PID整定公式:PID控制器得輸出為：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。

先就是比例后積分，最后再把微分加。23PID形象解釋制模型:您控制一個(gè)人讓她以PID控制得方式走110步后停下。(1)P比例控制,就就是讓他走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。

24PID形象解釋(2)PI積分控制,就就是她按照一定得步伐走到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步位置處來回晃幾次，最后停在110步的位置。

25PID形象解釋(3)PD微分控制,就就是她按照一定得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。。

26角度控制27角度控