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基于复合控制的自行车机器人平衡控制 预览
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作者 李艳 王涵 《现代电子技术》 北大核心 2019年第2期177-182,共6页
为了实现自行车机器人的平衡控制,提出一种复合控制的方法。将自行车看成多体系统,根据拉格朗日方程建立系统动力学模型。针对自行车机器人不稳定零动态的特点,采用复合控制,将系统的不稳定子系统作为内环,采用二次型性能指标最优控制... 为了实现自行车机器人的平衡控制,提出一种复合控制的方法。将自行车看成多体系统,根据拉格朗日方程建立系统动力学模型。针对自行车机器人不稳定零动态的特点,采用复合控制,将系统的不稳定子系统作为内环,采用二次型性能指标最优控制器镇定。针对干扰以及模型不确定性,对输出作为反馈的外环设计鲁棒控制器,使得整个系统具有较强的鲁棒性。仿真结果表明,所提方法可以实现自行车的平衡控制,使系统具备了抑制干扰的能力,并保证了系统的鲁棒稳定性。 展开更多
关键词 自行车机器人 平衡控制 复合控制 不稳定零动态 控制器 鲁棒性
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一种无机械平衡调节器自行车机器人的惯性参数辨识 预览
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作者 黄用华 黄渭 +2 位作者 庄未 黄美发 钟永全 《东南大学学报:自然科学版》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第A01期131-137,共7页
针对一种前轮驱动自行车机器人样机的惯性参数难以直接获得、控制器参数整定效率低和平衡控制效果差的问题,基于欠驱动力学特性对系统进行惯性参数辨识,并对辨识结果进行平衡控制试验验证.采用拉格朗日方法分析系统的力学机理,结果发现... 针对一种前轮驱动自行车机器人样机的惯性参数难以直接获得、控制器参数整定效率低和平衡控制效果差的问题,基于欠驱动力学特性对系统进行惯性参数辨识,并对辨识结果进行平衡控制试验验证.采用拉格朗日方法分析系统的力学机理,结果发现,其中包含有欠驱动子系统,若将该子系统进行变量分离,可以推导出系统的惯性参数辨识模型;根据惯性单元等传感器的实测信息,引入遗传算法对模型进行求解,辨识出了系统的惯性参数.样机试验结果表明,根据辨识出的惯性参数可以快速整定出控制器参数并实现样机在水平面上的稳定平衡行走,验证了辨识方法的有效性. 展开更多
关键词 自行车机器人 机械调节器 欠驱动 力学模型 惯性参数辨识
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前轮驱动自行车机器人定车运动的鲁棒控制实现 预览 被引量:2
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作者 黄用华 廖启征 +1 位作者 魏世民 郭磊 《计算机测量与控制》 CSCD 北大核心 2012年第6期1535-1539,共5页
针对一种前轮驱动的自行车机器人,研究其在具有内部结构参数和外部环境不确定性因素下实现原地定车的控制方法;给出基于Lagrange方法的定车运动简化力学模型;提出以欠驱动的车架横滚角为输出,将有驱动的前轮转角作为系统内部动态考... 针对一种前轮驱动的自行车机器人,研究其在具有内部结构参数和外部环境不确定性因素下实现原地定车的控制方法;给出基于Lagrange方法的定车运动简化力学模型;提出以欠驱动的车架横滚角为输出,将有驱动的前轮转角作为系统内部动态考虑的鲁棒控制器;仿真结果表明,控制器可以实现快速稳定的定车,并且对系统50%的结构参数误差、幅值为1N·m正弦干扰力矩和幅值为10N·m的脉冲干扰力矩体现了较强的鲁棒性;物理样机实验进一步证明,控制器可以在凹凸不平的地面环境、传感器数据不精确及脉冲干扰力矩下实现±3°车架倾角范围的定车运动。 展开更多
关键词 自行车机器人 前轮驱动 定车运动 鲁棒控制
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前轮驱动自行车机器人直线运动的控制实现 被引量:2
4
作者 黄用华 廖启征 +3 位作者 魏世民 郭磊 李峰 忻展红 《北京邮电大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第3期65-69,共5页
提出一种无配重调节器的前轮驱动自行车机器人的欠驱动力学模型,重点讨论了仅靠前轮驱动和车把转动实现水平面直线平衡行走的控制方法.通过转弯半径分析推导出用前轮速度和车把速度表示的系统动能,采用拉格朗日方法建立系统的力学模型.... 提出一种无配重调节器的前轮驱动自行车机器人的欠驱动力学模型,重点讨论了仅靠前轮驱动和车把转动实现水平面直线平衡行走的控制方法.通过转弯半径分析推导出用前轮速度和车把速度表示的系统动能,采用拉格朗日方法建立系统的力学模型.以此为基础,将有驱动输入的前轮、车把转角线性化,将欠驱动的车架横滚角作为内部动态,设计出机器人的直线运动平衡控制器.仿真控制结果验证了控制策略的有效性.样机实验结果进一步证明了控制器可以在合理输入力矩下实现自行车机器人的直线平衡行走. 展开更多
关键词 自行车机器人 前轮驱动 直线运动 平衡控制
一种前轮驱动自行车机器人的原地回转运动控制与实现 预览
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作者 黄用华 廖启征 +1 位作者 魏世民 郭磊 《测控技术》 CSCD 北大核心 2012年第9期45-50,共6页
建立了一种前轮驱动自行车机器人在车把和车架成正交构型时的动力学模型,重点研究其原地回转运动的稳定平衡控制方案。根据车把和车架成正交的特点并结合前轮纯滚动条件推导出车架航向角速率,基于Lagrange方程建立系统的动力学模型;... 建立了一种前轮驱动自行车机器人在车把和车架成正交构型时的动力学模型,重点研究其原地回转运动的稳定平衡控制方案。根据车把和车架成正交的特点并结合前轮纯滚动条件推导出车架航向角速率,基于Lagrange方程建立系统的动力学模型;采用部分反馈线性化技术,将欠驱动的车架横滚角线性化,并选择系统全部自由度为输出,通过给定一个角度的横滚角为系统的原地回转运动设计非线性控制器。数值仿真控制与实物样机实验表明,控制器可以稳定地实现自行车机器人的原地回转运动,并且改变车架横滚角的给定值可以得到不同的回转运动频率,两者的关系可以近似地描述为一个简单的线性函数。 展开更多
关键词 自行车机器人 前轮驱动 回转运动 部分反馈线性化 平衡控制
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前轮驱动自行车机器人定车运动的建模与实现 被引量:5
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作者 黄用华 廖启征 +1 位作者 魏世民 郭磊 《北京邮电大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第2期 5-9,共5页
针对前轮驱动自行车机器人原地难以实现定车问题,提出一种简化的力学模型,并研究其部分反馈线性化控制策略.首先,考虑车轮纯滚动条件及定车时车把和车架垂直的特点,推导出前轮驱动角速度和车架航向角速率间的约束关系,并利用拉格朗日方... 针对前轮驱动自行车机器人原地难以实现定车问题,提出一种简化的力学模型,并研究其部分反馈线性化控制策略.首先,考虑车轮纯滚动条件及定车时车把和车架垂直的特点,推导出前轮驱动角速度和车架航向角速率间的约束关系,并利用拉格朗日方程建立系统的动力学模型.然后,将系统欠驱动的车架横滚角线性化,并选择全部自由度为输出,根据部分反馈线性化原理设计定车运动控制器.仿真控制结果表明,适当地选取控制参数,系统可以在输入驱动力矩不大的情况下快速实现±10°范围内定车.物理样机实验进一步证明,利用所设计的控制器,前轮驱动自行车机器人可仅依靠前轮驱动实现小角度范围的原地定车运动. 展开更多
关键词 自行车机器人 前轮驱动 定车运动 动力学建模 稳定平衡控制
自行车机器人系统的稳定滑模控制 被引量:9
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作者 于秀丽 魏世民 郭磊 《控制与决策》 EI CSCD 北大核心 2011年第3期464-468,共5页
基于拉格朗日方法建立自行车机器人动力学模型,针对自行车机器人这一非线性欠驱动系统,利用稳定滑模控制算法实现系统的稳定.该方法首先从各个子系统中取出一个变量组合成一个中间变量;然后从该中间变量出发构造滑模函数,从滑模控... 基于拉格朗日方法建立自行车机器人动力学模型,针对自行车机器人这一非线性欠驱动系统,利用稳定滑模控制算法实现系统的稳定.该方法首先从各个子系统中取出一个变量组合成一个中间变量;然后从该中间变量出发构造滑模函数,从滑模控制器设计的角度求取控制量,保证中间变量在有限时间内收敛到平衡点,从而保证系统状态收敛到收敛域内.该方法能够保证白行车机器人系统的稳定性,并在仿真实验中得到了验证. 展开更多
关键词 滑模控制 欠驱动系统 自行车机器人 稳定性
自平衡自行车机器人的运动学分析 被引量:5
8
作者 郭磊 黄用华 +1 位作者 廖启征 魏世民 《北京邮电大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第6期 99-102,共4页
针对一种自行车机器人进行了运动学分析,得到了机器人横滚角度与车把转角和驱动速度之间的函数关系.从理论上给出了能调整机器人平衡所需要的驱动速度下界,只要驱动速度高于此临界值,就能通过调整车把保持车体平衡.仿真结果表明,... 针对一种自行车机器人进行了运动学分析,得到了机器人横滚角度与车把转角和驱动速度之间的函数关系.从理论上给出了能调整机器人平衡所需要的驱动速度下界,只要驱动速度高于此临界值,就能通过调整车把保持车体平衡.仿真结果表明,当机器人具有不同横滚角度和车把转角的姿态时,要将其调整回平衡态所需的驱动速度处于以该临界值为下限的一个区间.基于这种运动学关系,进行了运动控制实验.通过将横滚角度理论计算值与实验数据进行对比,发现这两者基本一致,从而通过实验验证了所提出运动学分析的正确性. 展开更多
关键词 自行车机器人 运动学 横滚角度 车把转角 驱动速度
基于双DSP的自行车机器人控制系统设计 预览
9
作者 黄用华 廖启征 +1 位作者 魏世民 郭磊 《计算机测量与控制》 CSCD 北大核心 2011年第12期 2965-2968,2988,共5页
对前轮驱动自行车机器人的控制系统嵌入式硬件平台构建问题进行了研究,提出了一种以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)为控制系统核心,以TMs320F2812数字信号处理器为信号采集模块,以C8051F020单片机为电机控制器,融合惯性测量单... 对前轮驱动自行车机器人的控制系统嵌入式硬件平台构建问题进行了研究,提出了一种以TMS320F28335数字信号处理器(DSP)为控制系统核心,以TMs320F2812数字信号处理器为信号采集模块,以C8051F020单片机为电机控制器,融合惯性测量单元、光电编码器、霍尔电流传感器,超声波传感器等多感知传感模块的前轮驱动自行车机器人嵌入式控制系统构架;利用F2812的片内外设采集传感器信号获得机器人内部状态及其外部的环境信息,构造CAN总线、SPI总线以及RS232总线在系统内进行数据通讯。通过F28335完成运动算法计算,并由C8051F020的PCA模块发出PWM信号驱动前轮电机和车把电机完成一个控制周期;样机试验表明,设计随动车架横滚角的控制器控制前轮速度和车把转角,构建的控制系统硬件可以使自行车机器人平衡行走超过5s。 展开更多
关键词 DSP 控制系统 自行车机器人 前轮驱动
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自行车机器人动力学建模与MIMO反馈线性化 预览 被引量:14
10
作者 郭磊 廖启征 魏世民 《北京邮电大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2007年第1期 80-84,95,共6页
基于拉格朗日方法建立了自行车机器人的多输入多输出动力学模型.为了达到使自行车机器人保持自平衡的目的,将车把转动角度、车体倾倒角度和后轮转动速度作为系统输出;将转动车把的力矩、调节质心的力矩和后轮的驱动力矩作为系统输入... 基于拉格朗日方法建立了自行车机器人的多输入多输出动力学模型.为了达到使自行车机器人保持自平衡的目的,将车把转动角度、车体倾倒角度和后轮转动速度作为系统输出;将转动车把的力矩、调节质心的力矩和后轮的驱动力矩作为系统输入,从而构建了具有3个输入、3个输出的仿射非线性系统.基于多输入多输出仿射非线性系统的输入输出线性化理论对其进行分析,通过精确线性化得到了等效的线性系统,并对该等效线性系统进行了分析,通过状态反馈实NT极点配置.通过计算机仿真验证了该控制律的有效性. 展开更多
关键词 自行车机器人 动力学模型 多输入多输出仿射非线性系统 输入输出线性化
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用速率陀螺仪实现基于单片机的角度随动系统研究——在自行车机器人的平衡控制中的应用 预览 被引量:5
11
作者 郭磊 廖启征 魏世民 《机电产品开发与创新》 2005年第2期 1-3,共3页
以陀螺仪作为敏感器测量自行车的倾斜角度,初步实现了无人驾驶自行车机器人的小范围稳定控制.基于以AT89C51单片机为核心的电路,用汇编语言编程实现对陀螺仪的输出速度信号进行积分处理,从而根据处理的结果实现对步进电机的位置随动控... 以陀螺仪作为敏感器测量自行车的倾斜角度,初步实现了无人驾驶自行车机器人的小范围稳定控制.基于以AT89C51单片机为核心的电路,用汇编语言编程实现对陀螺仪的输出速度信号进行积分处理,从而根据处理的结果实现对步进电机的位置随动控制一根据车体的倾斜角度转动车把,从而使自行车机器人保持平衡. 展开更多
关键词 自行车机器人 压电晶体速率陀螺仪 汇编编程 数字积分
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两轮自行车机器人锁把平衡定位控制仿真 预览
12
作者 黄用华 王昌盛 +1 位作者 何淑通 庄未 《计算机仿真》 北大核心 2018年第8期239-245,共7页
两轮自行车机器人定位控制需要综合考虑驱动车轮的定位和欠驱动车体平衡两种不同的因素,针对上述问题提出在车把锁定情况下实现一种双车把两轮自行车机器人定位平衡控制的方法。引入查普雷金方程建立系统在车把固定时的欠驱动力学模型... 两轮自行车机器人定位控制需要综合考虑驱动车轮的定位和欠驱动车体平衡两种不同的因素,针对上述问题提出在车把锁定情况下实现一种双车把两轮自行车机器人定位平衡控制的方法。引入查普雷金方程建立系统在车把固定时的欠驱动力学模型,并采用部分反馈线性化方法将系统有直接驱动的车轮的转角线性化,取车轮转角和车体俯仰角为输出设计出平衡定位控制器。以车把锁定为两种不同转角为例对控制系统进行数值仿真。仿真结果表明:在两种不同的车把转角下,选择同样的控制器参数,车架俯仰角可以由初始的偏角快速恢复到平衡位置,而车轮转角经过一定时间的振荡也能够收敛到原点附近。物理样机试验进一步验证了所提的控制方法的有效性。 展开更多
关键词 双车把两轮自行车机器人 平衡定位控制 锁把 查普雷金方程 部分反馈线性化
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拖挂式自行车机器人机构设计与非完整约束分析
13
作者 黄用华 王昌盛 +2 位作者 杨炼 张杰 庄未 《机械设计与研究》 CSCD 北大核心 2018年第3期54-57,62共5页
负载能力是评测自行车机器人机构性能的1个重要指标,针对现有的两轮自行车机器人机构负载能力不足的问题,提出1种由两轮自行车(牵引车)和单轮挂接车构成的新型自行车机器人机构,重点对机构的非完整约束特性进行研究。以车轮纯滚动为基... 负载能力是评测自行车机器人机构性能的1个重要指标,针对现有的两轮自行车机器人机构负载能力不足的问题,提出1种由两轮自行车(牵引车)和单轮挂接车构成的新型自行车机器人机构,重点对机构的非完整约束特性进行研究。以车轮纯滚动为基础,结合相对运动原理分析系统的运动约束特性,结果发现牵引车驱动速度与挂接车速度存在着一定的函数关系。通过物理样机骑行试验的方法,给出系统相关运动变量关系的验证算例。所得结果表明,约束计算得到的变量曲线和测量得到的变量曲线基本一致,验证了非完整约束分析的可靠性。研究结果可为该新型自行车机器人机构的动力学建模和驱动优化设计提供理论参考。 展开更多
关键词 拖挂式两节自行车机器人机构 非完整约束 纯滚动接触
无机械调节器的自行车机器人圆周运动实现 预览 被引量:4
14
作者 黄用华 廖启征 +1 位作者 魏世民 郭磊 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2013年第7期141-147,共7页
为了研究无机械调节器自行车机器人的曲线运动平衡能力,给出一种前轮驱动自行车机器人的欠驱动力学模型以及这种机器人在水平面上实现小半径圆周运动的方法。根据几何关系得到车体的转弯半径,以此为基础推导出后轮转角速度和车架航向... 为了研究无机械调节器自行车机器人的曲线运动平衡能力,给出一种前轮驱动自行车机器人的欠驱动力学模型以及这种机器人在水平面上实现小半径圆周运动的方法。根据几何关系得到车体的转弯半径,以此为基础推导出后轮转角速度和车架航向角速率,进一步采用拉格朗日方程建立系统的力学模型;分析圆周运动下重力矩和向心力矩的动态平衡条件,得到前轮驱动速度、车架横滚角以及车把转角之间的量化关系;基于部分反馈线性化方法,将模型中的欠驱动子系统线性化,设计出圆周运动控制器,并通过动态平衡条件设定车架横滚角和前轮驱动速度期望值来加速算法收敛。仿真控制和样机试验结果表明,控制器可以提供合理的驱动力矩实现自行车机器人的圆周平衡行走,并且给定不同的车架横滚角期望值可以对应得到不同的圆周运动周期,期望值越大,圆周运动周期越短。 展开更多
关键词 自行车机器人 无机械调节器 圆周运动 平衡控制
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45°车把转角下前轮驱动自行车机器人的定车运动 预览 被引量:4
15
作者 黄用华 廖启征 +1 位作者 魏世民 郭磊 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2012年第7期 16-22,共7页
针对无配重调节器的自行车机器人在低速下不易平衡的问题,以一种前轮驱动自行车机器人为对象,给出其力学模型及在45°车把转角下定车运动的实现方法。通过车轮转弯半径分析推导出后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度、车把转... 针对无配重调节器的自行车机器人在低速下不易平衡的问题,以一种前轮驱动自行车机器人为对象,给出其力学模型及在45°车把转角下定车运动的实现方法。通过车轮转弯半径分析推导出后轮角速度、车架航向角速度与前轮驱动速度、车把转角的关系,采用拉格朗日方程建立系统的力学模型;根据部分反馈线性化原理,将包含车架横滚角的欠驱动子系统线性化,设计出自行车机器人45°车把转角下定车运动的平衡控制器。仿真控制结果表明,合理选择控制参数,控制器可以快速地实现自行车机器人在45°车把转角下的定车运动;样机试验结果进一步证明,控制器可以使自行车机器人在不超过驱动电动机的力矩容限下实现45°车把转角下的定车运动。定车运动的实现从理论和试验两个方面证明,自行车机器人在低速下可以不需要配重调节器,仅依靠车把转动和前轮驱动保持稳定平衡。 展开更多
关键词 自行车机器人 前轮驱动 45°车把转角 定车运动 部分反馈线性化
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基于电位计实现自行车机器人的拟人智能控制 被引量:3
16
作者 郭磊 廖启征 魏世民 《电气应用》 北大核心 2005年第6期100-103,共4页
使用精密电位计和机械平衡装置测量自行车机器人相对于垂直地面方向的偏转角度,并用运算放大器LM324制作电路对精密电位计的输出信号进行模糊处理,该电路处理后所得的编码信号可以直接供给单片机电路进行模糊推理和清晰化处理.以AT89C5... 使用精密电位计和机械平衡装置测量自行车机器人相对于垂直地面方向的偏转角度,并用运算放大器LM324制作电路对精密电位计的输出信号进行模糊处理,该电路处理后所得的编码信号可以直接供给单片机电路进行模糊推理和清晰化处理.以AT89C51单片机为核心的电路,根据不同的编码信号而控制执行电机采取不同的动作方式,保证自行车机器人在直线行走时保持平衡.无线遥控收发模块用来改变机器人的前进方向,并在必要的时候辅助自动控制系统保持平衡. 展开更多
关键词 机器人 拟人智能控制 自行车 电位计 AT89C51单片机 自动控制系统 编码信号 LM324 运算放大器 偏转角度 平衡装置 模糊处理 输出信号 制作电路 模糊推理 电路处理 动作方式 收发模块 无线遥控 精密 清晰
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