[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010151221.0
• 申請(qǐng)日: 2010-04-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101850548A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-10-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 阮曉鋼;王昱峰;王啟源;于乃功;宋科科
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B25J13/00
• 分類(lèi)號(hào): B25J13/00
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于智能機(jī)器人范疇，尤其是一種能夠自主進(jìn)行運(yùn)動(dòng)平衡控制的靜態(tài)不平衡機(jī)器人。

背景技術(shù)

倒立擺系統(tǒng)的控制是控制理論應(yīng)用的一個(gè)典型范例。其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，便于用模擬或數(shù)字的方法進(jìn)行控制。雖然其結(jié)構(gòu)形式多種多樣，但無(wú)論何種結(jié)構(gòu)，就其本身而言，都是一個(gè)非最小相位、多變量、絕對(duì)不穩(wěn)定的非線(xiàn)性系統(tǒng)。由于倒立擺系統(tǒng)的絕對(duì)不穩(wěn)定，必須采取有效的措施控制它。其控制方法在軍工、航天、機(jī)器人領(lǐng)域和一般工業(yè)過(guò)程中都有著廣泛的用途，如機(jī)器人行走過(guò)程中的平衡控制、火箭發(fā)射中的垂直度控制和衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制等涉及到的倒置問(wèn)題。同時(shí)，由于摩擦力的存在，該系統(tǒng)具有一定的不確定性。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的研究，從理論上將涉及系統(tǒng)控制中的許多關(guān)鍵問(wèn)題：如非線(xiàn)性問(wèn)題、魯棒性問(wèn)題、鎮(zhèn)定問(wèn)題、隨動(dòng)問(wèn)題及跟蹤問(wèn)題等可以以它為例進(jìn)行研究。

隨著倒立擺系統(tǒng)的控制研究的不斷深入，倒立擺系統(tǒng)的種類(lèi)也由簡(jiǎn)單的單級(jí)倒立擺發(fā)展為多種形式的倒立擺。常見(jiàn)的倒立擺系統(tǒng)一般由小車(chē)和擺桿兩部分構(gòu)成(另有旋轉(zhuǎn)式倒立擺等形式，但較少)，其中擺桿可能是一級(jí)、兩級(jí)甚至多級(jí)，其長(zhǎng)度也可能是變化的。控制的目標(biāo)基本上都是通過(guò)給小車(chē)施加一個(gè)水平方向的力，使小車(chē)在期望的位置上穩(wěn)定，而擺桿也達(dá)到豎直向上的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

相比于一般的倒立擺系統(tǒng)，基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)具有以下顯著特點(diǎn)：1)平衡原理不同：一般的倒立擺都是通過(guò)控制小車(chē)的速度來(lái)達(dá)到豎直擺桿的平衡，而基于飛輪的倒立擺系統(tǒng)的底部卻是固定的，它是通過(guò)頂部飛輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生必要的扭矩來(lái)控制擺桿的平衡；2)控制難度不同：對(duì)于一般的倒立擺系統(tǒng)，四級(jí)倒立擺的控制目前也已經(jīng)不是問(wèn)題了，而對(duì)于基于飛輪的倒立擺系統(tǒng)而言，二級(jí)倒立擺的控制至今還沒(méi)有人去研究。3)應(yīng)用層次不同：一般的倒立擺系統(tǒng)主要用來(lái)研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性、鎮(zhèn)定問(wèn)題等等。隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越追求自己生活的質(zhì)量和舒適程度，于是，一些智能機(jī)器人應(yīng)用而生，由于他們的體積小、重量輕、功能多，逐漸被現(xiàn)代人追捧，其中，極具有代表性的是獨(dú)輪機(jī)器人，它只有一個(gè)輪子，占有更小的空間，能夠以一種特有的動(dòng)態(tài)平衡的方式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的任務(wù)，如在極窄的路徑上騎行，騎過(guò)很窄的平衡木、原地轉(zhuǎn)身，甚至可以完成走鋼絲的高難度動(dòng)作。對(duì)于它上身的控制，目前許多研究者都是基于飛輪旋轉(zhuǎn)的平衡控制，但是目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有一個(gè)能夠獨(dú)立行走的獨(dú)輪車(chē)。

現(xiàn)在的倒立擺多為簡(jiǎn)單的桿式倒立擺，為了增強(qiáng)其控制難度，只是擺桿的簡(jiǎn)單疊加，現(xiàn)實(shí)意義不是很大。它的電氣控制系統(tǒng)一般在擺桿的下端，小車(chē)的快速滑動(dòng)是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)的皮帶來(lái)傳動(dòng)，從而使輕質(zhì)擺桿起擺，最終使豎直擺桿穩(wěn)定在垂直向上的位置。由于此裝置一般體積大、質(zhì)量重，從而造價(jià)也比較高。

國(guó)外也有許多研究者致力于基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)的研究，具有代表性的是Model?IP/NC?Inverted?Pendulum，此系統(tǒng)采用的是110或220伏的交流供電方式；傳感器使用的是紅外傳感器，它是一種模擬傳感器，測(cè)量精度不高，影響系統(tǒng)的控制；它的保護(hù)支架是固定的，不能調(diào)節(jié)擺桿與豎直方向的最大偏角，缺少一定的靈活性；其電氣系統(tǒng)并沒(méi)有放在底座上，底座上也沒(méi)有可以移動(dòng)的腳輪，可移動(dòng)性較差。

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)。倒立擺系統(tǒng)利用模塊化的平衡組件中的直流伺服電機(jī)控制飛輪沿著豎直方向旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)左右方向的平衡。檢測(cè)方面，為了實(shí)現(xiàn)倒立擺對(duì)擺桿姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，本發(fā)明采用了基于微機(jī)械電子技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和單軸的傾角儀獲得擺桿系統(tǒng)在二維環(huán)境中的精確姿態(tài)。為了使倒立擺具有移動(dòng)的方便性，在本發(fā)明中倒立擺系統(tǒng)的底盤(pán)下安裝了四個(gè)腳輪，當(dāng)需要移動(dòng)倒立擺系統(tǒng)時(shí)，可以很方便、省力的由一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種基于飛輪的倒立擺平衡控制系統(tǒng)，從而在一定程度上解決獨(dú)輪機(jī)器人的側(cè)向平衡控制問(wèn)題。