两轮机器人平衡控制的实现文献综述

 2021-09-25 08:09

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由于移动机器人在各行各业具有广泛的应用前景,对移动机器人的研究已成为机器人研究的一个热点研究领域。其中轮式机器人由于其机构简单、成本低等特点,成为移动机器人研究的一个方向。

轮式机器人在工作过程中可能会遇到工作区域狭窄、路面不平、工作环境复杂多变、需要经常转向的工作场合,如何在这样的环境里灵活快捷的完成任务,使机器人不但能够适应特定的环境及任务需求,而且在动态变化的复杂未知环境中也能够体现出高度的灵活适应性,成为一个值得重点研究的课题。

在这种应用背景下两轮自平衡机器人应运而生。两轮自平衡机器人系统的两个车轮位于同一轴线,并分别由直流伺服电机独立驱动,机器人的重心在两车轮轴上方,通过运动保持动态自平衡。两轮自平衡机器人作为一个新兴的研究方向,结合了轮式与自主移动机器人的特点,为传统的机器人技术注入了新的生机与活力。随着作业任务实时性、复杂性的提高及工作环境的不可预知性,传统意义上的轮式机器人在许多应用领域存在着诸多局限性,与传统的轮式移动机器人相比,两轮自平衡机器人具有许多优点:

1.转弯半径为零:机器人能绕本体中心旋转,因此有利于在狭窄场所改变方向,可以在小空间范围灵活运动,移动轨迹更为灵活易变,弥补了传统多轮布局的缺点;

2.无刹车系统:由 CPU 自动给出正反转力矩,从而达到快速稳定的刹车效果;控制极其方便,方便起动、停止、停留在某处,前进后退自如;

3.驱动功率大大减少,为电池长时间供电提供可能;

4.特殊的应用场合:可应用于步行街、广场、游乐场和大型会场等汽车无法通行、步行不便的场合,既可以减少污染又可以解决交通堵塞问题,并且还为环保轻型车提供了一种新的思路。

由于结构特殊,两轮自平衡机器人体积小、运动灵活、适应地形变化能力强、能够方便地实现零半径回转、鲁棒性强、适于在狭小和危险的工作空间内活动、能够胜任一些复杂环境里的工作。因此,两轮自平衡机器人有着广泛的应用前景,其典型应用包括代步工具、通勤车、紧急服务、邮件派送、空间探索、战场侦察、危险品运输、灭火、智能轮椅、高科技玩具、多机器人合作、机器人足球、控制理论测试平台等方面。此外,由于微电子技术、计算机技术、控制技术、电源技术、驱动技术、传感器技术的不断进步,为两轮自平衡机器人技术提供了坚实的理论基础并极大的降低了研制成本,有力地推动了两轮自平衡机器人由理论研究向工程实践发展。

两轮自平衡机器人是一个集动态决策和规划、环境感知、行为控制和执行等多种功能于一体的综合复杂系统,其关键是在解决自平衡的同时,还能够适应在各种环境下的控制任务。通过运用外加速度传感器、超声波传感器、倾角传感器、防碰撞开关等,可以实现小车的跟踪、路径规划和自主避障等多种复杂的功能。还可以吧GPS和惯性导航设备配备到小车上实现组合导航。所以,两轮自平衡小车是一个实现起来相对简单的复杂系统,受到世界各个国家的重视,具有较高的学术研究意义。正因为有了这些优点,两轮自平衡小车经过一定的改造就可以制造成战场机器人或者保姆机器人,具有广阔的应用前景。

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