[发明专利]一种基于LQR算法的两轮机器人平衡控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于LQR算法的两轮机器人平衡控制器，具体来说是控制器是基于状态反馈的思想运用极点配置法和LQR算法来设计的，再通过MATLAB仿真分析控制性能，主要解决两轮机器人的平衡控制问题，属于机器人技术研究领域。

背景技术

随着社会的快速发展，人类对智能化程度的需求也在提高，机器人的出现是划时代的，它能根据人的思想，协助或取代人类工作的工作，例如生产业、制造业或是危险工作；而两轮机器人因其独特结构、快捷方便、灵活性以及易于控制等特性，广泛用于工业生产、民用或是娱乐业，具有理论与实践研究意义，本发明就是基于两轮机器人广泛应用性和灵活性的基础上，然后收集资料以及先相关文献来解决其平衡控制问题。

发明内容

本发明设计一种基于LQR算法的两轮机器人平衡控制器。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于LQR算法的两轮机器人平衡控制器，首先根据牛顿力学分析法建立两轮机器人非线性模型，其次再线性化并解耦该模型，最后根据线性化模型设计平衡控制器。

所述的两轮机器人在本文研究中是一种刚性连接，即机器人的车体和车轮是独立的。

所述的两轮机器人的平衡控制器是基于状态反馈极点配置法，即利用被控系统在可控情况下任意配置极点的特性，最终使两轮机器人在初始干扰情况下短时间内达到平稳状态。

所述的两轮机器人的平衡控制器引入了LQR算法，当被控系统是线性或线性化，运用最优控制能兼顾多项性能指标，最终使两轮机器人在初始干扰情况下短时间内达到平稳状态。

该发明的有益之处是，针对两轮机器人运动平衡问题，本文进行平衡控制器的设计，该控制器以系统输出的状态量作为研究切入点，利用状态反馈思想，引入极点配置法和LQR算法，设计简单，控制性能好，LQR控制器能使机器人再短时间内达到平稳状态，稳定性更好，这正是两轮机器人所要达到的目标。

附图说明

附图1为两轮机器人受力示意图

图中：M为车体重量，m为车轮重量，J_ω为车轮对轮轴转动惯量，J_θ为车轮对z轴转动惯量，J_θ为车轮对y轴转动惯量，R为车轮半径，D为车轮间距，L为Z轴到车体质心的距离，C为输入转矩，f为抹摩擦力。

附图2为极点配置仿真原理图

图中：subsystem为两轮机器人非线性模型。

附图3为倾角控制曲线图

图中：1是速度曲线，2是倾角速度曲线，3是位移曲线，4是倾角曲线。

附图4为位移控制曲线图

图中：1是倾角速度曲线，2是速度曲线，3是倾角曲线，4是位移曲线。

附图5为LQR仿真原理图

附图6为倾角控制曲线图

图中：1是速度曲线，2是位移曲线，3是倾角曲线，4是倾角速度曲线。

附图7为位移控制曲线图

图中：1是倾角曲线，2是位移曲线，3是速度曲线，4是倾角速度曲线。

对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。