TWSBR轨迹跟踪控制器设计与实现

摘要

为解决两轮自平衡机器人(two-wheeled self-balancing robot, TWSBR)在实际运行中稳定性差、轨迹跟踪误差大、控制策略复杂等问题，对TWSBR进行动力学和运动学分析并建立数学模型，基于线性二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)设计前向控制系统，基于滑模变结构控制(sliding mode variable structure controller, SMVSC)设计转向控制系统，对LQR前向控制系统和SMVSC转向控制系统进行仿真试验。仿真试验表明：TWSBR实际转向角在试验开始后1.2 s达到期望转向角，实际车身倾角在试验开始后2 s达到期望车身倾角，实际车速在试验开始后3 s达到期望车速。设计跟踪轨迹生成器，构建TWSBR轨迹跟踪控制系统，搭建TWSBR试验平台，进行TWSBR轨迹跟踪试验。试验结果表明：TWSBR车身倾角误差、车身倾角速度误差、转向角误差、转向角速度误差在试验开始后1 s稳定在0附近，位移误差、车速误差在试验开始后2 s稳定在0附近，TWSBR各状态变量稳定后波动范围较小，考虑到传感器采集误差、电机驱动精度等因素，表明TWSBR轨迹跟踪效果较好，可实现位移跟踪、车速跟踪、车身倾角跟踪和转向角跟踪。

关键词

TWSBR / LQR前向控制系统 / SMVSC转向控制系统 / 轨迹跟踪 / 试验平台