[发明专利]一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统

说明书

技术领域

本发明属于智能机器人范畴，尤其是一种能够自主进行运动平衡控制的静态不平衡机器人。

背景技术

倒立摆系统的控制是控制理论应用的一个典型范例。其机构简单、成本较低，便于用模拟或数字的方法进行控制。虽然其结构形式多种多样，但无论何种结构，就其本身而言，都是一个非最小相位、多变量、绝对不稳定的非线性系统。由于倒立摆系统的绝对不稳定，必须采取有效的措施控制它。其控制方法在军工、航天、机器人领域和一般工业过程中都有着广泛的用途，如机器人行走过程中的平衡控制、火箭发射中的垂直度控制和卫星飞行中的姿态控制等涉及到的倒置问题。同时，由于摩擦力的存在，该系统具有一定的不确定性。对于这样一个复杂系统的研究，从理论上将涉及系统控制中的许多关键问题：如非线性问题、鲁棒性问题、镇定问题、随动问题及跟踪问题等可以以它为例进行研究。

随着倒立摆系统的控制研究的不断深入，倒立摆系统的种类也由简单的单级倒立摆发展为多种形式的倒立摆。常见的倒立摆系统一般由小车和摆杆两部分构成(另有旋转式倒立摆等形式，但较少)，其中摆杆可能是一级、两级甚至多级，其长度也可能是变化的。控制的目标基本上都是通过给小车施加一个水平方向的力，使小车在期望的位置上稳定，而摆杆也达到竖直向上的动态平衡状态。

相比于一般的倒立摆系统，基于飞轮的倒立摆平衡控制系统具有以下显著特点：1)平衡原理不同：一般的倒立摆都是通过控制小车的速度来达到竖直摆杆的平衡，而基于飞轮的倒立摆系统的底部却是固定的，它是通过顶部飞轮的旋转产生必要的扭矩来控制摆杆的平衡；2)控制难度不同：对于一般的倒立摆系统，四级倒立摆的控制目前也已经不是问题了，而对于基于飞轮的倒立摆系统而言，二级倒立摆的控制至今还没有人去研究。3)应用层次不同：一般的倒立摆系统主要用来研究系统的稳定性、鲁棒性、镇定问题等等。随着科技的发展，人们生活水平的提高，人们越来越追求自己生活的质量和舒适程度，于是，一些智能机器人应用而生，由于他们的体积小、重量轻、功能多，逐渐被现代人追捧，其中，极具有代表性的是独轮机器人，它只有一个轮子，占有更小的空间，能够以一种特有的动态平衡的方式实现相应的任务，如在极窄的路径上骑行，骑过很窄的平衡木、原地转身，甚至可以完成走钢丝的高难度动作。对于它上身的控制，目前许多研究者都是基于飞轮旋转的平衡控制，但是目前在国内还没有一个能够独立行走的独轮车。

现在的倒立摆多为简单的杆式倒立摆，为了增强其控制难度，只是摆杆的简单叠加，现实意义不是很大。它的电气控制系统一般在摆杆的下端，小车的快速滑动是通过电机带动的皮带来传动，从而使轻质摆杆起摆，最终使竖直摆杆稳定在垂直向上的位置。由于此装置一般体积大、质量重，从而造价也比较高。

国外也有许多研究者致力于基于飞轮的倒立摆平衡控制系统的研究，具有代表性的是Model IP/NC Inverted Pendulum，此系统采用的是110或220伏的交流供电方式；传感器使用的是红外传感器，它是一种模拟传感器，测量精度不高，影响系统的控制；它的保护支架是固定的，不能调节摆杆与竖直方向的最大偏角，缺少一定的灵活性；其电气系统并没有放在底座上，底座上也没有可以移动的脚轮，可移动性较差。

针对上述问题，本发明设计了一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统。倒立摆系统利用模块化的平衡组件中的直流伺服电机控制飞轮沿着竖直方向旋转调节，实现左右方向的平衡。检测方面，为了实现倒立摆对摆杆姿态的实时检测，本发明采用了基于微机械电子技术的惯性导航系统和单轴的倾角仪获得摆杆系统在二维环境中的精确姿态。为了使倒立摆具有移动的方便性，在本发明中倒立摆系统的底盘下安装了四个脚轮，当需要移动倒立摆系统时，可以很方便、省力的由一个位置移动到另一个位置。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于飞轮的倒立摆平衡控制系统，从而在一定程度上解决独轮机器人的侧向平衡控制问题。