Robust Control Design of Wheeled Inverted Pendulum Assistant Robot

This paper examines the design concept and mobile control strategy of the human assistant robot I-PENTAR (inverted pendulum type assistant robot). The motion equation is derived considering the non-holonomic constraint of the twowheeled mobile robot. Different optimal control approaches are applied to a linearized model of I-PENTAR. These include linear quadratic regulator (LQR), linear quadratic Gaussian control (LQG), H₂ control and H_∞ control. Simulation is performed for all the approaches yielding good performance results.      

电动并联六轮足机器人的运动驱动与多模态控制方法

提出一种并联六轮足移动机器人．该机器人设有多模式Stewart型腿结构,其负载能力大,集成了轮式运动和足式运动的优点,可实现足式、轮式、轮足复合式运动．首先,阐述了机器人设计思路,对电动并联六轮足机器人的硬件系统和控制系统进行设计．其次,针对足式运动模式,设计了一套完整的足式“三角”步态和稳定行走算法,该算法可降低足端与地面之间的垂直方向冲击,防止足式运动拖腿或打滑;针对轮式运动模式,设计并介绍了6轮协同控制和轮式协同转向原理;针对轮足复合式运动模式,介绍了变高度、变支撑面、变轮距、主动隔振控制原理,重点分析了主动隔振控制和变轮距控制,可实现主动隔振及姿态平稳控制,提高了机器人在崎岖颠簸地形下的轮足复合式运动的稳定性．最后,对电动并联六轮足机器人的足式、轮式、轮足复合式运动模式进行实验,实验结果验证了本文提出的并联六轮足移动机器人设计的可行性和各运动模式下驱动与控制算法的有效性．     

轮式足球机器人平滑运动轨迹控制算法的研究--Robocup系列研究之四

介绍一种轮式足球机器人的平滑运动轨迹控制算法。为了更简洁有效地驱动足球机器人平滑快速地跟踪目标位置与姿态，在控制其移动的过程中应平滑连续地改变其速度和方向。提供了一种基于双积分系统时间最优Bang-Bang控制的轨迹生成及控制算法，在模拟引导轨迹的引导下进行连续的速度控制引导机器人平滑高速跟踪运动轨迹并按要求调整其末端姿态。通过一系列的仿真结果来体现该控制算法的高效性和准确性。     

火工品运载机器人的设计与研究

为了解决具有高度危险性的火工原料和产品生产线之间的运输完全依靠人工完成这一难题,设计了一种基于PC的轮式移动机器人;根据机器人的工作环境和特点,结构上使用四轮驱动和前后独立转向,并通过PC机将处理后的信息传输给运动控制卡控制机器人的方向和速度,采用人工势场法进行路径规划和贝叶斯方法将超声波传感器获取的信息进行融合,使机器人实现避障行进;运行实验表明,轮式移动机器人能成功地避开周围1m内的障碍物将火工品运送到目的地,运载负荷可以达到8kg,速度最快为2m/s,系统工作稳定可靠,满足火工品的运输要求。     

履带式移动机器人行动规划技术的研究

本文以８６３－５１２型号项目为背景，从运动特性，运动描述，运动控制以及运动规划等几个方面研究履带式移动机器人的行动规划技术，首先从理论上分析了履带式移动机器人的内在运动传递传机理，指出了其区别于轮式移动载体的独特的运动特性。尤其是在其转向特性方面，得出了履带式程移动机器人运动角速几乎不可控原理，原地转弯转不准问题，以及履带式车辆行动规划时所要遵循的规则等重要结论，针对履带式移动机器人的纵向运动控制     

Development of a wheeled inverted pendulum mobile platform with a four-bar parallel mechanism

A wheeled inverted pendulum (WIP) offers benefits such as a small floor occupation area, high dynamic stability, and horizontal force sensitivity. However, the body of a WIP robot inclines at the start of acceleration or deceleration, when an external force is applied, or when the position of a CoG is changed. This incline may result in degraded task performance such as object dropping during delivery or image swaying when taking video. In this paper, a WIP mobile platform adopting a four-bar parallel mechanism which provides robust load position variance and horizontal posture keeping is proposed. The basic structure of this platform connects two front and rear inverted pendulums and two upper and lower bars with free-rotational joints, so as to act as a four-bar parallel link mechanism. Based on the features of the parallel mechanism, the platform can maintain a horizontal posture of the upper bar during balancing motion under various disturbances. The motion equations of the mobile platform showed that a change of the loading condition on the upper bar did not affect the balancing characteristics, as confirmed via balancing simulations. Two possible application tasks, namely object delivery and image taking, were successfully demonstrated to show the utility of the platform in terms of its horizontal posture compensation function and its robustness in terms of load position variance.     

基于运动描述语言的轮式移动机器人控制

介绍了一种基于运动描述语言的轮式移动机器人控制方法．运动描述语言不仅可以有效地描述机器人系统中离散和连续动力学过程的相互作用，而且可以定量地描述操纵机器人的复杂性．利用该方法对具有非完整约束的轮式移动机器人的位姿镇定问题进行了研究，仿真结果验证了该方法的有效性．     

基于Mindstorms的四轮智能机器人实时控制系统设计

传统机器人控制系统是以辅助控制机器人转向为基准进行设计的,存在转向控制效果差的问题,为实现四轮智能机器人控制系统研发,以Mindstorms平台为基础,搭建由主控模块、传感器模块、无线通信模块、运动模块以及电源模块组成的四轮智能机器人结构。在运动控制模块中选用TMC236芯片作为电机驱动芯片,通过电路为桥臂上开关管提供控制电压;在底层控制模块中,采用PID控制器控制电机期望转角与实际转角之间差值,实现机器人转向角度控制。对软件控制策略研发中,利用嵌入式操作软件系统实现车道保持控制和避障控制功能,实现机器人自主换道功能。保证机器人自主充电情况下,测试转向控制功能,由测试结果可知,基于Mindstorms系统控制效果始终维持在98%以上,实现机器人转向精准控制。     

基于简化三维线性倒立摆模型的模糊控制射门算法

针对双足机器人传统射门算法存在仅适用于固定射门角度和射门姿态的问题,提出了一种基于简化三维线性倒立摆模型的模糊控制射门算法,用于实现多角度、多姿态的射门。首先利用简化三维线性倒立摆模型规划出零力矩点(ZMP)轨迹和质心轨迹;其次在双腿支撑相对双足机器人进行射门角度和姿态的调整,同时利用贝塞尔曲线规划出游动腿的轨迹;最后利用模糊控制算法精确地规划出双足机器人的射门轨迹。实验部分利用NAO机器人仿真平台验证了本文提出射门算法的性能,并与其它射门算法进行了比较。最后将实物NAO机器人用于全过程与多角度的实际射门实验,验证了本文提出射门的算法可行性与准确性。     

轮式移动机器人航向跟踪预估控制算法

本文提出了一种轮式移动机器人航向跟踪预估控制算法,航向预估量根据机器人前 轮偏角和纵向速度实时得出,预估量与机器人实际航向之和作为控制反馈航向.仿真和实验 时用PID控制器和航向预估算法结合进行航向跟踪,结果表明该算法与常规PID算法相比,对 机器人纵向速度适应范围较宽,能有效地改善控制器的动态特性,表现出了较好的自适应能 力.     

基于阿克曼原理的车式移动机器人运动学建模

基于阿克曼原理的轮式移动机器人运动学模型对于无人驾驶车辆的研究有着重要的意义.对轮式移动机器人的运动学特性进行了分析,建立了不考虑滑行、刹车等的轮式移动机器人的运动学模型.对该运动学模型引入了阿克曼约束,给出了描述机器人运动状态的转向角、航向角和转弯半径等物理量的数学公式.最后对该运动学模型进行仿真实验,验证了所建立的运动学模型的正确性,为进一步研究轮式移动机器人提供了理论分析的基础.     

基于车体加速度反馈的轮式移动机器人轨迹跟踪控制研究

本文分析了轮式移动机器人在运行过程中由于动力 学不确定性引起的力矩扰动，并提出了一种基于传感器的移动机器人控制方法．在利用线加 速度传感器实时测量机器人车体加速度信号的基础上，实现了车体加速度反馈控制，实验 证明了该方法的有效性．     

轮式移动机器人非完整运动规划的遗传算法

本文讨论轮式移动机器人非完整运动的最优规划问题。利用系统的非完整特性 ,将轮式移动机器人运动规划转化为非线性系统最优控制问题。在最优控制中引入遗传算法 ,替代传统的牛顿迭代方法 ,提出基于遗传算法的非完整运动规划最优控制数值方法。通过仿真计算 ,验证了该方法的有效性和可行性。     

基于模糊控制的移动机器人避障研究

针对移动机器人在未知环境中的不确定性,利用Matlab构建了多传感器仿真试验移动平台,在Simulink中搭建移动机器人运动学模型,利用多传感器采集环境中的障碍物信息与目标物的方位角,设计了具有避障功能的模糊控制算法.通过模糊控制器控制移动机器人的左右轮速度实现机器人的转弯以及直走,根据机器人实时的角度反馈信息不断修正机器人的位姿以精确避障.仿真实验验证了该方法的可行性及有效性.     

非平衡负载下轮式移动机器人的抗扰PID控制

在非平衡负载条件下,轮式移动机器人(WMR)的前进、转向速度耦合,影响着轨迹跟踪和避障等运动控制性能.为此,本文提出了一种基于抗扰PID(DR–PID)控制器的WMR速度调节主动抗扰(ADR)控制策略.首先,建立WMR的速度耦合模型,引入解耦矩阵减小静态耦合作用;然后,基于一类改进干扰观测器(DOB)控制方法,设计一种具有ADR能力的PID控制器,即DR–PID,用于WMR的速度分散调节.进一步,考虑高频增益不匹配/不确定性,分析闭环系统稳定性条件.所得结论揭示了PID控制器的抗扰机理;最后,在不平衡负载条件下开展WMR运动控制实验研究,实验结果验证了所提方法的有效性.     

Introducing Climax: A novel strategy to a tri-wheel spiral robot

This paper describes a prototype and analytical studies of a tri-wheel spiral mobile robot. The robot can reach any desired point with a sequence of rotational movements. The robot has a simple actuation mechanism, consisting of three wheels mounted on a platform with axes fixed in 120° and a motor connected to each. Our approach introduces several new features such as simple repeated sequence of commands for steering and spiral motion, versus direct movement to target. The mathematical model of the robot is discussed, and a steering method is developed to achieve full motion capabilities. For a number of missions, it is shown experimentally that the proposed motion planning agrees well with the results.     

移动机器人运动规划与计算机控制实现

论文针对移动机器人的链式系统提出了一种实时运动规划方法,通过在线更新复合分段常值与多项式输入控制律的系数,来驱使系统到达预定的目标,并将其应用于两伺服直流电机独立控制轮式移动机器人,采用计算机系统以及伺服放大器实现其控制,控制的结果达到了预期的效果。     

Estimation and control of the attitude of a dynamic mobile robot using internal sensors

For the control of a dynamic mobile robot, the attitude in gravity space is an important state of the robot. Usually, the attitude is difficult to detect by simply using the signals from sensors. For example, an external sensor contacting the ground suffers disturbances from the roughness of the ground; the integration of a gyroscope signal has the problem of drift; an inclination sensor does not indicate the direction of gravity when acceleration exists. To solve these problems, we propose a control method in which the attitude of a mobile robot is estimated by an observer considering the robot dynamics and using only the information obtained by internal sensors. We applied this method to a wheeled inverted pendulum as an example of a dynamic mobile robot. The estimation of the attitude was made with good accuracy using the signals from the rate gyroscope and the motor encoder, and the control of stable running of the pendulum on a flat level plane worked successfully. We also realized the running control of a pendulum on an unknown rough road using the estimation of the slope gradient made by the observer. Thus, the effectiveness of the proposed method was demonstrated experimentally.     

基于激光雷达的室外移动机器人避障与导航新方法

提出了一种应用于室外移动机器人避障与导航的新方法——角度势场法．此方法将当前视场极坐标系的二维障碍物信息转换到一维的角度域内，综合评估视场内的障碍物在角度域内产生的阻力效应，以及目标点在角度域内产生的引力效应，计算得出当前目标角度及通行函数，确定移动机器人驾驶角和速度的控制输出，做到兼顾移动机器人的安全与向目标点的行进．此方法已应用于室外移动机器人THMR V．     

基于变增益模糊PID控制的移动机器人轨迹跟踪

该文对轮式移动机器人提出了一种基于变增益的模糊PID轨迹跟踪控制方法。首先将常规PID分为PI和PD的组合,再把PID的输出转化为误差和误差变化率之和,然后设计增益随误差变化的自适应调节律,使得移动机器人跟踪期望的运动轨迹。最后通过实验验证了所提方法的有效性。