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国内图书分类号：TP273 工学硕士学位论文两轮自平衡机器人模糊PD控制方法研究硕士研究生：张万英导师：武俊峰申请学位级别：工学硕士学科、专业：控制理论与控制工程所在单位：自动化学院答辩日期： 2012年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学

Classified Index：TP273 姗0㈣8咖2㈣2吣Y ㈨4叭7洲g Dissertation for the Master Degree in Engineering 一一一 Research on Fuzzy-PD Control Method of Two-- wheeled Self-balancing Robot Candidate： Supervisor： Zhang Wanying Wu Junfeng Academic Degree Applied for：Master ofEngineering Specialty： Control Theory and Control Date of Oral Examination： March，2012 Engineering University： Harbin University of Science and Technology

哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《两轮自平衡机器人模糊PD 控制方法研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：放乃荚日期：2 p／2年罗月秒日哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书《两轮自平衡机器入模糊PD控制方法研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导完下成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密rl，在年解密后适用授权书。不保密√。 (请在以上相应方框内打√) 作者签名：燃一名裁日期：20 t2年3月2．3日刁月文弓日

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文两轮自平衡机器人模糊PD控制方法研究摘要两轮自平衡机器人是一个多变量、非线性、高阶次、强耦合、本质不稳定的运动控制系统，是检验各种控制理论和控制方法的典型装置，因而，对其研究有很大的理论和实践意义。由于其具有结构简单、运行稳定、能量利用率高、环境适应性强等优点，无论是在军事领域还是在民用领域都具有非常广阔的应用前景。本文以深圳固高公司生产的GBOTl001型两轮自平衡机器人为研究对象，主要研究了其稳定控制问题。首先，对机器人的硬件结构做了简单介绍，包括DSP芯片处理器、倾角传感器、陀螺仪、光电编码器以及驱动单元等主要元部件，并分析了其自平衡控制原理。其次，采用牛顿力学的分析方法对两轮自平衡机器人进行数学建模，并采用基于泰勒级数的近似线性化方法对其线性化。对系统的稳定性、能控能观性进行分析。再次，采用LQR控制方法设计控制器，对两轮自平衡机器人进行控制。经过大量的仿真实验，确定了最优Q、R矩阵，从而得到最优反馈矩阵，并搭建Simulink仿真模型，进行仿真分析。然后，设计模糊PD控制器，以机器人的位移和速度为输入变量由模糊控制器控制，倾斜角度和角速度由PD控制。针对模糊控制器，提出了一种量化因子和比例因子的估算方法，并根据PID控制参数整定原则，对相关参数在线整定。搭建Simulink仿真模型，将模糊PD控制与LQR控制进行仿真比较。最后，设计了机器人实时控制系统平台，用于两轮自平衡机器人的实时控制，经过大量的参数调试，机器人系统得到了良好的控制，可稳定行走，达到了预期目标。实验结果表明，模糊PD控制比LQR控制具有更好的动态性能，主要表现在模糊PD控制超调量小，振荡小，但是控制器反应相对较慢，调节时间长，而LQR控制器具有调节时间短、反应快的优点。关键词机器人；模糊控制：Fuzzy．PD；LQR

Research on Fuzzy-PD Control Method of Two． wheeled Self-balancing Robot Abstract The two-wheeled self-balancing robot system is considered as a typical research target with the characteristics of multiple—variables，non—linear,high order,coupled，and instability．Therefore，the robot has become an essential and classical experiment facility to prove various kinds of control theory and control method．So it has an important prospect for theoretical and practical significance to carry out the study of two—wheeled self-balance robot．Because of its simple structure，stable operation，hi曲energy efficiency and environmental adaptability, it has a very broad application prospects both in the military and in civilian areas． This paper makes fl study of the GBOT 1 00 1 two．wheeled self-balancing robot produced by Googol Technology(Shenzhen)Limited． Firstly,this paper gives an introduction of the hardware structure of the object in detail，including DSP,inclinator,gyroscope and photoelectric encipher, and then analyzes the primary of self-balancing．Secondly,based on the Newton dynamics mechanics theory,a detailed mathematical model of the robot iS provided，and then，using the reasonable method，a linear state．space equation is built up．We analyze the stabilization．controllability and observability of the system qualitatively．Thirdly,a LQR controller is designed to control the two． wheeled self-balancing robot．After a number of simulation experiments，we get the best state-feedback matrix and Q，R matrix，and then build the Simulink model．Fourthly,a fuzzy—PD controller is designed。The inputs of the fuzzy controller are position and speed of the robot，while the angle and angle rate of the robot are controlled by PD controller．Giving a method to estimate I／O proportional factors，according to the PID control parameters tuning principle， we determine the PD parameters．The LQR controller iS compared with fuzzy．PD controller．At last，this paper designs a real—time control platform of the two— wheeled self-balancing robot，after a number of parameter debugging，the robot

iS controlled well． The simulation results prove that the fuzzy—PD controller has a better dynamic performance than the LQR controller,with low overshoot and smaller oscillation，but longer settling time，while the LQR controller has a good performance of shorter settling time and faster reaction· Key words robot，fuzzy,fuzzy—PD，LQR III

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文目录摘要…………………………………………………………………………………I Abstract………………………………………………………………………………………………………．．II 第1章绪论…………………………………………………………………………1 1．1课题研究的背景及意义………………………………………………………1 1．2两轮自平衡机器人国内外研究现状…………………………………………2 1．2．1国外研究现状……………………………………………………………2 1．2．2国内研究现状……………………………………………………………4 1．3两轮自平衡机器人的主要控制方法…………………………………………6 1．4本文研究的主要内容…………………………………………………………7 第2章两轮自平衡机器人的系统结构分析………………………………………8 2．1自平衡机器人的工作原理……………………………………………………8 2．2自平衡机器人的硬件组成……………………………………………………9 2．2．1电源模块…………………………………………………………………9 2．2．2控制单元………………………………………………………………一11 2．2．3驱动单元………………………………………………………………．．12 2．2．4姿态检测传感器………………………………………………………．．1 3 2．3本章小结……………………………………………………………………．15 第3章两轮自平衡机器人的数学建模与分析…………………………………．．16 3．1自平衡机器人的运动分析…………………………………………………．1 6 3．2自平衡机器人的动力学模型………………………………………………．17 3．2．1相关参数介绍…………………………………………………………．．17 3．2．2基于牛顿力学方程的动力学模型……………………………………一20 3．3非线性模型的线性化………………………………………………………．21 3．3．1基于泰勒级数的近似线性化方法……………………………………．．21 3．3．2线性化的数学模型及系统解耦………………………………………．．23 3．4系统性能分析………………………………………………………………．28 3．4．1稳定性分析……………………………………………………………一28 3．4．2能控性分析……………………………………………………………．．29 3．4．3能观性分析……………………………………………………………．．30

哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 3．5本章小结……………………………………………………………………．30 第4章两轮自平衡机器人控制系统设计………………………………………．．3 1 4．1 LQR控制方法………………………………………………………………．31 4。2模糊控制方法………………………………………………………………．34 4．2．1模糊控制理论简介……………………………………………………．．34 4．2．2模糊控制的基本原理…………………………………………………一35 4．3模糊控制器的设计…………………………………………………………．36 4．3．1模糊控制器的结构选择………………………………………………一36 4．3．2模糊控制参数的确定……………………………………………………37 4．3．3模糊控制规则的建立…………………………………………………．．38 4．3．4 PD参数整定原则………………………………………………………40 4．3．5模糊PD控制系统……………………………………………………～40 4．3．6仿真研究………………………………………………………………．．42 4．4实时控制实验………………………………………………………………．46 4．5本章小结……………………………………………………………………．49 结论……………………………………………………………………………………………………………．50 参考文献……………………………………………………………………………52 攻读学位期间发表的学术论文……………………………………………………56 致谢……………………………………………………………………………………………………………．57

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