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xmm完成版1自行车机器人滑模控制器的设计与仿真

自行车机器人的滑模控制器的设计与仿真

摘要

自行车机器人是近年来机器人学术界所提出的一种全新的智能运输(或交通)工具概念，由于其车体窄小、可做小半径回转、运动灵活、结构简单，因此有广泛的应用空间。到目前，在国内仍处于理论探讨和初步的实验研究阶段。关于自行车机器人控制系统，世界上在研制的并不多。由于双轮自行车的动力学特征较为复杂，其两轮纵向布置，与地面无滑动接触，它本身就是一个欠驱动的具有侧向不稳定的非完整系统，如果不对它实施侧向控制，它就会倾倒而无法稳定运行，进而无法产生纵向运动，同时自行车具有对称性特征。因此，自行车机器人的控制问题相当困难。基于上述原因，使得自行车机器人(也称无人驾驶自行车)具有一定的学术价值。

本文以自行车机器人的动力学建模、控制问题作为研究对象，采用拉格朗日方法建立了依靠调节车把保证自行车机器人平衡的SISO非线性动力学模型。使用近似线性化的方法将非线性模型进行了线性化，设计了线性系统控制器，使自行车机器人在小范围内的变化可以得到有效的控制。分析了SISO非线性动力学模型的特征，并提出了基于稳定滑模控制器对自行车机器人模型的控制方法，从而能够更加有效的实现自行车机器人的稳定控制。并对所建的模型滑模控制设计，同时，对其进行仿真。

关键词：串级滑模控制；稳定滑模控制；分层滑模控制

Sliding bicycle robot controller design and simulation

ABSTRACT

The bicycle robot that is proposed by academics in the field of robot in recent years is a new conception of intelligent transport (or traffic) tool.Because of its narrow body, do small turning radius, flexible movement, simple structure, it is widely used in space. Up to now, the country is still in the theoretical study and preliminary experimental research stage. About bicycle robot control system in the world is not much developed. Since the dynamic characteristics of two-wheeled bike is more complex, it rounds vertical arrangement, no sliding contact with the ground, which is itself an under-drive system with non-intact lateral instability, if not its implementation lateral control, it stable operation can not be dumped, and thus can not produce longitudinal motion, while bicycle symmetry characteristics. Therefore, bicycle robot control problems quite difficult. For these reasons, making the bike robot (also known as unmanned bike) with a certain value.

In this paper, the bicycle robot dynamic modeling, control issues as the research object, using the Lagrangian method relies on the establishment of a regulator to ensure that the bicycle handlebar robot balanced SISO nonlinear dynamics model. Approximate linearization method using the nonlinear model was linearized linear system controller is designed to make the bicycle robot in a small range of variation can be effectively controlled. Analysis of the characteristics of SISO nonlinear dynamics model, and presents a stable sliding controller based on the model of the bicycle robot control method, which can more effectively achieve the bicycle robot stability control. And built a model of sliding mode control design, while its simulation.

Key words：cascade sliding-mode control；stable sliding-mode control；hierarchical sliding-mode control

摘要............................................................... I ABSTRACT ............................................................ II 1 绪论 (1)

1.1 自行车机器人的研究现状及发展 (1)

1.2 变结构控制理论的产生与发展 (5)

2 自行车机器人SISO非线性系统动力学建模与控制 (8)

2.1 自行车机器人的建模 (8)

2.2 自行车机器人的运动分析 (10)

2.3 自行车机器人SISO非线性系统的近似线性化控制 (14)

2.3.1 近似线性化模型 (14)

2.3.2 最优二次型控制器设计 (16)

2.3.3 仿真实验 (18)

3 滑模变结构控制理论 (21)

3.1 滑模变结构的控制原理 (21)

3.2 滑模变结构控制的定义 (22)

3.3 变结构控制系统的设计 (25)

4 自行车机器人SISO非线性系统的滑模控制 (27)

4.1 自行车机器人系统的结构特性 (27)

4.1.1 非完整约束 (27)

4.2 自行车机器人系统的稳定滑模控制 (29)

4.2.1 稳定滑模控制器的结构设计 (29)

4.2.2 稳定滑模控制的仿真实验结果分析 (30)

5 总结与展望 (32)

参考文献 (33)

谢辞 (34)

1 绪论

1.1 自行车机器人的研究现状及发展

国外对自行车的运动理论研究已有上百年历史，但是迄今自行车运动的动力学原理并未完全阐述清楚。早期研究工作可追溯到Whipple(1898)和Ucarvallo (1900)0Appell(1953)著名的经典力学对自行车运动做了初步分析，之后 F.Klein和Sommerfeld(1910), MeTenuuuu(1948)等建立了精确而十分冗长的动力学模型，但是正如Grammel所指出的那样，几乎所有的研究都将驾车人作为固定于车座上的刚体，忽略了人的主观意志作用，因此所得到的结论与实际相差甚远，而且都没有阐述其控制方法。N.H.Getz(1994, 1995)将自行车作为具有对称性特征的非完整性和欠驱动系统的典型，充分利用其约束的对称性，推导了自行车缩减的运动学方程，着重研究了自行车跟踪任意车体横滚角轨迹的跟踪控制策略，认为这样就能保证自行车在接近倒地和一般干扰的情况下保持稳定。Getz没有设计另外的机械调节器，也就是说通过控制自行车的舵手的偏转和驱动后轮来实现跟踪控制的。W. S.Koon和J.E.Marsden(1997)用哈密尔顿正则方程和微分几何方法建立了自行车缩减形式的动力学模型，但其忽略了自行车轮子的质量、宽度和半径。Grard Lachiver和Sa'rd Berriah(2000)、以及Himanshu Dutt Sharma Umashankar N(2005 2006)，利用模型逻辑等方法设计了自行车的控制器以保持车体倾斜的稳定性，他们与Getz相似，没有设计另外的机械调节器。

日本研究人员T.Murakami(2004)和Y Tanaka，基于角动量平衡定理建立了自行车机器人系统的非线性动力学模型，通过局部线性化对模型进行了简化处理;并利用经典控制论分析、设计了自行车机器人的控制系统，如图1-1所示。

图1-1 日本Yasuhito Tanaka的自行车机器人

南非的Y Yavin(1997-2006)应该说是诸多学者中研究无人自行车控制问题时间较长的一位学者，而且做出了较为杰出的贡献，他陆续设计了两种带机械调节器的无人驾驶自行车，图1-2(a)所示的为带转动杆调节器的自行车机器人，图1-2(b)所示的为带转动飞轮调节器的自行车机器人，并且利用拉格朗日方程建立了相对应的动力学模型，而且进一步提出了自行车机器轨迹可控性的概念，利用逆动态方法设计了自行车机器人的轨迹跟踪控制器。M.Yamakita和.Utano(20052006)研究的无人驾驶自行车也较为典型，图1-3(a)为他们研制的带有平衡质量调节器的自行车机器人的原理图，图1-3(b)为该机器人的外观图，他们设计了控制器，着重研究了该自行车机器人在超低速运动情况下，自行车机器人的稳定控制能力。

（a）转动杆调节方式（b）飞轮调节方式

图1-2 Y. Yavin的无人驾驶自行车原理模型

（a）原理模型（b）外观图

图1-3 Utano的自行车机器人

使用基于sara（λ）法则的在线加强学习算法解决自行车机器人的稳定驾驶问题，在建模时做了如下的一个简化:前轮垂直于地面。但这种情况在实际中是不经常发生的，只是一种偶然现象。但是正是这个简化使得建立自行车的数学模型变得简单，此文献中的方程不是自行车机器人的精确建模，它忽略了一些二阶交叉项。然而，当控制一辆真实的自行车的时候，首先要考虑的问题是:我们需要搭建好的硬件使得自行车尽可能的保持平衡，减小倾倒的几率，并且自行车需要频繁的调整，使系统在运动中保持平衡。

建立了以一个二阶非线性微分方程描述的动力学模型，此自行车机器人带有简单的重心可调节的平衡装置，因为配重机构对自行车机器人的稳定控制有相当重要的作用，并使用非线性控制论中的滑模理论提出了一种控制策略。

一种在高速运行状态下的自行车机器人动力学模型，由于车体的前进速度不同对其平衡控制的实现有重要影响。当自行车机器人处于高速运行时，它的非线性动力学模型很接近线性系统，而低速运行时，系统的非线性表现的十分明显。Karl J. Astrom提出了一些自行车机器人的动力学模型，并且对每个模型设计了相应的控制律。

国内最早对自行车动力学有较深研究的当属上海交通大学的刘延柱教授，他在1995年提出要考虑人的控制因素对动力学的影响，并提出单纯依靠车把就可以实现

自行车的稳定控制，同时获得了稳定性条件[1]，2005年本实验室相关人员根据刘延柱教授提出的依靠车把控制的方法，提出了在匀速运行状态下的自行车机器人的一种全新的单输入单输出的动力学模型。该动力学模型需要用2个2阶非线性常微分方程表示，以转动车把电机的力矩作为输入量，以车体横滚角度作为系统输出量。由于该模型所表示的非线性系统具有非最小相位的零动态，使用中心流形定理实现了该非线性系统的镇定。并在镇定了该具有非最小相位零动态的自行车机器人SISO 仿射非线性系统的基础上，为其设计了模糊滑模控制器，以便得到控制器切换的快速性和系统“抖震”最小化的效果。其样机如图1-4所示，2001年解放军汽车管理学院的林修成和张朝阳对自行车行使中的稳定性及后动性进行了研究[2]。2008年河南科技大学刘延斌、王秀权、张宏敏提出了一种基于2- RHR型冗余驱动并联机构进行自行车机器人侧向稳定调节的方法，并运用第一类拉格朗日方程建立了系统动力学模型。

图1-4 自行车机器人样机

以上自行车机器人的研究中，大部分工作都是围绕着自行车机器人动力学建模和提出新的控制算法这两方面内容展开的。

1.2 变结构控制理论的产生与发展

变结构是二十世纪五十年代由前苏联学者S.V.Emelyanov首次提出。到了七十年代，V.I.Utkin等人进一步发展了变结构理论并初步形成了一个相对独立的理论体系。以滑动模为基础的变结构控制是在相平面法的基础上产生的一种现代控制论的综合方法，变结构控制是当系统状态空间穿越不同区域时，反馈控制器的结构按照一定的规律发生变化，使得控制系统对被控对象的内在参数变化和外在环境扰动等因素具有一定的适应能力，保证系统性能达到期望的性能指标要求。由此看出，变结构控制系统能够通过控制器本身的变化，使得系统性能保持一直高于一般固定结构控制所能达到的性能，突破了经典线性控制系统的品质限制，较好地解决了动态与静态性能指标之间的矛盾。

由于变结构系统具有独特的优点和特性，因此它得到了世界各国控制界学者的广泛重视。近20年来，随着以微分几何为主要工具的非线性控制理论的深入研究以及模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制理论的发展，各国研究人员从不同的理论角度运用各种数学手段对变结构控制理论进行深入的研究，大大促进了变结构控制理论的飞速发展，并使变结构系统迅速发展成为现代控制领域中的一个重要分支。

从广义上看，变结构系统主要有两类:一类是不具有滑动模态的变结构系统;另一类是具有滑动模态的变结构系统。通常所说的变结构控制都是指具有滑动模态的变结构系统，从本质上看是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性，这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的结构并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，因此具有滑动模态的变结构系统不仅对系统的不确定性因素具有较强的鲁棒性和抗干扰性，而且可以通过滑动模态的设计获得满意的动态品质，同时控制简单，易于实现，所以基于滑动模态的变结构控制系

统在国际上受到普遍重视。

以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了三个阶段的发展过程。第一阶段(1957-20世纪60年代末)的工作主要由前苏联学者完成，其中，苏联学者Emelyanov 开展了对变结构系统基本理论的研究，之后，Utkin、Itkis等人进一步发展了变结构系统理论。在其发展的第一阶段，主要研究以误差及其导数为状态变量的单输入单输出线性对象的变结构控制。随后，又有以相平面分析法研究二阶线性系统，并以误差信号加上它的导数作为反馈，而反馈系数可以在两组数之间切换。在1962年，开始可以对任意阶的SISO线性系统作为控制对象，仍然以误差及其各阶导数构成状态空间，又称规范空间。滑动模在规范空间对系统参数变化的不变性产生了极大的吸引力，但是由于它的控制信号量是基于误差的各阶导数，而这些信号在实际应用中都只能通过不完全微分来实现，因此导致了滑动模态偏离理想状态，甚至破坏系统性能，使之变得更差。因此这一阶段建立起来的变结构控制系统理论在实际上很难应用，这一期间的文献也没有受到应有的重视。

20世纪70年代初是变结构系统控制理论发展第二个阶段的开始，它研究的对象己经延伸到了多输入多输出系统和非线性系统，尤其是前苏联学者乌特金的一篇论文[3]及他的一篇专著[4]正式发表后，西方乃至全世界各国学者对滑模变结构系统理论开始了的广泛关注。在这一阶段的研究成果主要体现在关于滑动模态的唯一性、稳定性以及切换面方程式的设计等方面，同时主要工作也仅仅是局限在理论研究上。

二十世纪80年代以来，随着大功率电子器件、计算机、电机以及机器人等技术的迅速发展，滑模变结构控制理论和应用研究进入了一个崭新的阶段，所研究的对象已涉及到离散系统、滞后系统、分布参数系统、非完整力学系统、非线性大系统等许多复杂的系统中，其研究手段也扩展到了多个领域，以微分几何理论为主要工具的非线性控制思想极大地推动了滑模控制理论的发展，同时，许多新型的变结构控制算法在这个阶段产生，并正在引起控制理论界的关注和工程界的极大兴趣，在

实践应用上也有了实质性的发展。可以说变结构控制理论是伴随着鲁棒控制、自适应控制、智能控制、非线性控制理论等研究领域的发展而发展的[5]。

2 自行车机器人SISO非线性系统动力学建模与控制

2.1 自行车机器人的建模

本章首先建立自行车机器人的SISO动力学模型，由理论分析和文[6]的实践可知，单独依靠对自行车车把的控制作用能够使自行车保持平衡。利用文[7]中的方法对本论文研究的自行车进行建模。只需考虑用前轮摆角产生的扭转力矩来维持受到微小扰动后自行车车体的平衡。因此假设自行车平衡时，以匀速率V o前进，在此过程中受到微小的扰动，使车体偏离平衡位置。将自行车各部分看作理想化模型:前后两个车轮看作质心在车轮圆心的圆环，连接前后轮的车架看作质量集中在其质心的质点。

设具体参数:自行车前轮的质量为m q，后轮的质量为m h，前轮半径为r q，后轮半径为r h，车架的质量(不包括电池)为m o，其重心高度为权，车架质量(包括电池)为m j，前轮质心到车把转动轴的距离为s，车体受到扰动后偏离铅直方向的角度为β，电池质量为m d，电池重心高度为h2，为了保持平衡，须施加力矩M使车把向车体倾倒的方向转动角度为α。其具体示意图分别如图2-1、图2-2所示。

图2-1 车体后视等效图

图2-2 车体俯视等效图图2-3 车体侧视等效图

图2-4 前轮运动分析后视图图2-5后轮运动分析后视图

表1 自行车机器人车体参数

名称物理意义参数值m q前轮质量0.75kg m h后路质量 1.05kg m j车架质量（全部）12.1kg m d电池质量（24V12V） 1.4kg m o(m j-m d)车架质量（没有电池）10.7kg r q前轮半径0.14m r h后轮半径0.17m

s 车把转动轴到前轮中心距

离0.02m

h1车架中心高度（没有电池）0.36m h2电池重心高度0.66m

l1前轮着地点到车架质心的

距离0.36m

l2前轮着地点到后轮着地点

的距离0.81m

p（l1-l2）/l20.56

2.2 自行车机器人的运动分析

前轮:设前轮的质心速度为V q，前轮的运动可看作:质心以速度sα 绕图2-3中的轴AB转动，其转动惯量为J1;以速度r qβ 绕前轮着地点转动，其转动惯量为J2;以前进速度V o绕前轮着地点的与前进速度垂直的方向的轴的转动，其转动惯量为J3。由几何关系可知速度sα 和速度r qβ 的夹角为β，如图2-4所示;并且速度V o的方向垂

直于速度s α

和速度r q β 所组成的平面，则根据矢量合成定理，可得

（2-1）前轮的动能表达式：

（2-2）其中，，后轮：设后轮的质心速度为V h ，后轮的动作可看作：质心以速度β

h r 绕前轮着地点转动，其转动惯量为J 4；以前进速度V 0绕后轮着地点的与前进速度垂直的方向

的轴的转动，其转动惯量为J 5。由几何关系可知，速度V 0的方向与速度β

h r 的方向垂直，如图2-5所示。则根据矢量合成定理，可得

（2-3）

后轮的动能表达式：

（2-4）

其中，后轮:设后轮的质心速度为V h ，后轮的动作可看作:质心以速度β

h r '绕前轮着地点转动，其转动惯量为J 4;以前进速度V 0绕后轮着地点的与前进速度垂直的方向的

轴转动，其转动惯量为J 5。由几何关系可知，速度V 0的方向与速度β

h r 的方向垂直，如图2-5所示。则根据矢量合成定理，可得

（2-5）

后轮的动能表达式：

（2-6）

其中， 212

1q q r m J =23q q r m J =2221q q r m J =205242)(212121h

h h h r V J J V m T ++=β 25h h r m J =2421h h r m J =205242)(212121h

h h h r V J J V m T ++=β 25h h r m J =242

1h h r m J =]cos 2)()[(2222ββαβα q q D q r s r s V V +++=20322212)(21212121q

q q q r V J J J V m T +++=βα 2202)(β h h r V V +=2202)(β h h r V V +=

车架:设车架的质心速度为V j ，车架的运动可看作:以前进速度V 0平动;以速度

1h 绕前后轮着地点所在的直线转动，其转动惯量为J 6，且速度V 0的方向垂直于速度β

1h 的方向，则根据矢量合成定理，可得

（2-7）车架的动能表达式：

（2-8）其中2

16h m J j =

因此可得，整个自行车机器人系统的总动能为：

（2-9）取地面为参考面，则系统势能为： (2-10)

2.3 基于拉格朗日方法建立自行车机器人SISO 的动力学方程

系统输入和输出的广义力:扰动引起的自行车车体倾倒的力看作是重力在水平

方向上的分力，而维持车体平衡的力显然是扭转力矩，因此

(2-11)

根据第二类拉格朗日方程：

(2-12) 可得，

(2-13) 其中L 值如下：

(2-14)

将各参数代入，可得系统的运动微分方程如下：

0)(=-??-??k Q q L q L dt d k

k 2622

121β J V m T j j j +=M L L dt d =??-??αα

)( 0)(=??-??ββL L dt d 22222202222434341cos 21o h h h q q q q q q q q v m r m r m v m r m r s m s m V T L ++++++=-=ββαββαα ββαβαβcos )(cos 2121210122222120g h m h m r m r m p s h m p s m h m v m d h h q q j j j j +++-++++ βαβαβcos 2)()(1221202p s h p s h V V j +++=j h q T T T T ++=βcos )(210g h m h m r m r m V d h h q q +++=ββsin )(210g h m h m r m r m Q d h h q q +++=M Q =α

(2-15)

输入量和输出量是α和β，因此系统状态变量是{α，α

，β，β } 令α=1x ，α

=2x ，β=3x ，β =4x ，则系统运动微分方程可写为如下形式： (2-16)

输出方程为3x y ==β

为了简便，设

则原方程组可写成：

(2-17)

将第4等式代入第2等式中，恒等变换可得：

M sp h m s r m sp h m s r m p s m s m r m j q q j q q j q q q =+-++++ββββαsin )(cos )()2

1(2112222 g h m h m r m r m sp h m sr m h m r m r m d h h q q j q q j h h q q )(cos )()22

323(21012122+++=++++βαβ ???????????+++++++++-==+++++++-==32222103221221443324222213422221221

sin 433)(2cos 433)(2sin 21cos 21x h m r m r m g h m h m r m r m x x h m r m r m sp h m sr m x x x x x p s m s m r m sp h m s r m x x p s m s m r m sp h m s r m x x x j h h q q d h h q q j h h q q j q q j q q q j q q j q q q j q q 22222211p s m s m r m sp

mjh mqrqs a j q q q +++=2

2221121p s m s m r m sp

h m s r m a j q q q j q q +++-=22223211p s m s m r m a j q q q ++=21

2211433)(2h m r m r m sp h m sr m b j h h q q j q q +++-=22

102433)(2h m r m r m g h m h m r m r m b j h h q q d h h q q +++++=???????+==++==3232144333242341221sin cos sin cos x b x x b x x x

M a x x a x x a x

x x

(2-18) 将第2等式代入第4等式中，恒等变换可得:

(2-19) 所以得到非线性系统方程为:

(2-20)

2.3 自行车机器人SISO 非线性系统的近似线性化控制

2.3.1 近似线性化模型

方程组经过恒等变换可以写成如下的形式（设M u =）:在可控制平衡的条件下，

车体的倾角β不会太大，因此做近似化处理:

33sin x x ≈，1cos 3≈x ，02243≈=β

β x x (2-21) 原方程又可变换为： (2-22) 因此，令u M =，可写成矩阵形式： (2-23) 3

211332423212cos 1sin 2sin 21x b a M a x x a x b a x -++= 3

21131332324124cos 1cos sin 2sin 21x b a M x b a x b x x b a x -++= ?????????????-++==-++==32113133232412443

321133242321221cos 1cos sin 2sin 21cos 1sin 2sin 21x b a M x b a x b x x b a x x x x b a M a x x a x b a x x x ????

?????-+==-+==111332443113

32122111b a M b a x b x x x b a M a x b a x x x u b a b a b a a x x x x b a b b a b a x x x x ???????

?????????--+????????????????????????????--=????????????111311343211121121432110100100100001000010 []????????????=43210100x x x x y

综上所述，自行车机器人的状态方程和输出方一程由下所示:

（2-24）

其中， []0001=C D =0 经实际测得，自行车机器人的具体参数为:自行车前轮的质量为0.75kg ，半径为

0.14m ，后轮的质量为1.05kg ，半径为0.17m ，车架的质量(不包括电池)为10.7kg ，

其重心高度为0.36m ，车架质量(包括电池)为12.1 kg ，前轮质心到车把转动轴的距

离为0.02m ，电池质量为1.4kg ，电池重心高度为0.66m ，前轮着地点到车架质心的

距离为0.36m ，前轮着地点到后轮着地点的距离为0.81m ，代入到状态方程和输出方

程中，可得出：

(2-25)

首先，对系统做可控可观性分析如下:对于单输入系统，其状态方程为

Bu Ax x

+= ，其中A 是n n ?矩阵;B 是r n ?矩阵，u 是l r ?的列向量。则该系统具有能控性的充分必要条件是矩阵[]B A B A AB B M n 12-= 的秩为n 。

对于该系统，则有： (2-26) ???+=+=Du

Cx y Bu Ax x ????????????????--=01001000010000101121121b a b b a b a A ???????

?????????--=11131131010b a b a b a a B ????????????=4321x x x x x ????????????=4321x x x x x ????????????-=09722.1600100002064.94000010A ????????????-=9.106232.1190B ?????

???????----=02466.3209.12466.3209.1009892.17806232.1199892.17806232.1190M

显然有：4)(==n M rank k ，所以该系统能控。

对于单输入系统，其状态方程为Bu Ax x

+= ，Cx y =其中A 是n n ?矩阵；B 是r n ?矩阵，u 是l r ?的列向量，C 是n m ?矩阵。则该系统完全能观的充要条件是如下的

n nm ?矩阵：

的秩为n 。

对于该系统，则有：

(2-27) 显然，4)(==n N rank ，所以该系统能观。

由上面推导得出，系统的状态空间表达式为：

(2-28) [])(0001t x y =

系统的传递函数为：

(2-29) 简化为：

(2-30) 2.3.2 最优二次型控制器设计

最优控制是现代控制理论的核心，最优控制研究的主要问题是:根据己经建立的

被控对象的数学模型，选择一个容许的控制规律，使得被控对象按预定的要求运行，

??????????=-1n CA CA C N ?????

???????--=2064.9400002064.940000100001N )(9.106232.1190)(09722.1600100002064.94000010)(t u t x t x ????????????-+????????????-= 2

97.16316.0882.8185113.0411.326.119315.0885.44∧∧∧∧--+--++-s s e s s e s s e 2

4297.1618516.119s s s --

工业机器人设计(大四机器人课设作业)(DOC)

“工业机器人”设计大作业作品题目：货物装卸机器人专业：机械设计制造及其自动化姓名：班级：学号：姓名：班级：学号：姓名：班级：学号：指导教师：陈明

1 前言货物装卸作业是指用一种设备握持工件，是指从一个加工位置移到另一个加工位置。货物装卸机器人可安装不同的末端执行器以完成各种不同形状和状态的工件货物装卸工作，大大减轻了人类繁重的体力劳动。目前世界上使用的货物装卸机器人愈10 万台，被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛货物装卸、集装箱等的自动货物装卸。部分发达国家已制定出人工货物装卸的最大限度，超过限度的必须由货物装卸机器人来完成。装卸货物装卸是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高 2 设计方案论证本课题通过对货物装卸机器人工作对象及工作场所的分析研究，深入了解其工作是如何进行，各部分零部件应该如何运行以及如何紧密配合，先确定其总体结构再对主要零部件进行设计计算确定其尺寸大小以及确定电机型号。 2.1 基本思想（1）设计要考虑要求和工作环境的限制。（2）考虑到货物装卸货物时所需要精确度不是很高，为了简化结构，境地成本，采用角铁焊接结构。（3）为了满足设计要求，须设计三个独立的电机驱动系统，各部分之间通过计算机控制、协调工作。（4）本次设计只是该题目的机械部分，而对应控制部件的考虑较少。 3 仓库货物装卸机器人的设计计算 3.1 货物装载伸缩装置的设计 3.1.1 确定传动方案我们所学的传动方式有以下几种：带传动、链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动和钢丝绳传动等，一般地说，啮合传动传递功率的能力高于摩擦传动；蜗轮传动工作的发热情况较为严重，因而传动的功率不宜过大；摩擦轮传动由于必须有足够的压紧力，故而在传递同一圆周力时，其压轴力比齿轮传动的大几倍，因而不宜用于大功率传动。带传

工业机器人课程设计

河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品设计说明书作品名称：多功能机械手专业：机电一体化技术班级：机电124班扣号：姓名：流星 2014 年 10 月 1 日

目录一课题概述 (2) 1、选题背景 (2) 2、发展现状和趋势 (3) 3、研究调研 (4) 二机械手组成及工作过程 (6) 1、整体结构分析 (6) 2、所需器材 (6) 3、底座部分 (8) 4、躯干部分 (9) 5、上臂部分 (10) 6、手爪部分 (11) 7、机械手系统的总调试 (12) 三软件部分 (13) 1、机械手软件编制流程图 (13) 2、机械手运行控制程序图 (14) 四设计体会 (15) 一课题概述 1、选题背景随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一

步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，利用限位开关来保护电机和控制机械手位置的准停。这个课题可以充分的体现机电一体化的由程序自动控制机械结构的运动，对自己以前的所学的课程也是一种巩固。另一方面这个机械手可以实现一定的搬运功能具有很强的实用性能。 2、发展现状和趋势

工业机器人课程设计说明书

工业机器人课程设计基于Matlab的工业机器人运动学和雅克比运动分析班级：学号姓名：

目录摘要 ..................................................................................................................................................... - 2 - PUMA560机器人简介 ...................................................................................................................... - 3 - 一、PUMA560机器人的正解 .......................................................................................................... - 4 - 1.1、确定D-H 坐标系 .................................................................................................................... - 4 - 1.2、确定各连杆D-H 参数和关节变量 ........................................................................................ - 4 - 1.3、求出两杆间的位姿矩阵 ......................................................................................................... - 4 - 1.4、求末杆的位姿矩阵 ................................................................................................................. - 5 - 1.5、M A TLAB 编程求解 .................................................................................................................. - 6 - 1.6、验证 ......................................................................................................................................... - 6 - 二、PUMA560机器人的逆解 .......................................................................................................... - 7 - 2.1、求1θ ........................................................................................................................................ - 7 - 2.2、求3θ ........................................................................................................................................ - 7 - 2.3、求2θ ........................................................................................................................................ - 8 - 2.4、求4θ ........................................................................................................................................ - 9 - 2.5、求5θ ........................................................................................................................................ - 9 - 2.6、求 6 θ ...................................................................................................................................... - 10 - 2.7、解的多重性 ........................................................................................................................... - 10 - 2.8、M A TLAB 编程求解 ................................................................................................................ - 10 - 2.9、对于机器人解的分析 ........................................................................................................... - 10 - 三、机器人的雅克比矩阵 ............................................................................................................... - 11 - 3.1、定义 ....................................................................................................................................... - 11 - 3.2、雅可比矩阵的求法 ............................................................................................................... - 11 - 3.3、微分变换法求机器人的雅可比矩阵 ................................................................................... - 12 - 3.4、矢量积法求机器人的雅克比矩阵 ....................................................................................... - 13 - 3.5、M A TLAB 编程求解 ................................................................................................................ - 14 - 附录 ................................................................................................................................................... - 15 - 1、M ATLAB 程序 ........................................................................................................................... - 15 - 2、三维图 ...................................................................................................................................... - 24 -

机器人课程设计报告范例

**学校机器人课程设计名称院系电子信息工程系班级10电气3 姓名谢士强学号107301336 指导教师宋佳

目录第一章绪论 (2) 1.1课程设计任务背景 (2) 1.2课程设计的要求 (2) 第二章硬件设计 (3) 2.1 结构设计 (3) 2.2电机驱动 (4) 2.3 传感器 (5) 2.3.1光强传感器 (5) 2.3.2光强传感器原理 (6) 2.4硬件搭建 (7) 第三章软件设计 (8) 3.1 步态设计 (8) 3.1.1步态分析： (8) 3.1.2程序逻辑图： (9) 3.2 用NorthStar设计的程序 (10) 第四章总结 (12) 第五章参考文献 (13)

第一章绪论 1.1课程设计任务背景机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统现在机器人普遍用于工业自动化领域，如汽车制造，医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人，军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人，科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明 1.2课程设计的要求设计一个机器人系统，该机器人可以是轮式、足式、车型、人型，也可以是仿其他生物的，但该机器人应具备的基本功能为：能够灵活行进，能感知光源、转向光源并跟踪光源；另外还应具备一项其他功能，该功能可自选（如亮灯、按钮启动、红外接近停止等）。具体要求如下： 1、根据功能要求进行机械构型设计，并用实训套件搭建实物。 2、基于实训套件选定满足功能要求的传感器； 3、设计追光策略及运动步态； 4、用NorthStar设计完整的机器人追光程序；

基于滑模观测器的PMSM模糊滑模控制

万方数据

基于滑模观测器的PMSM模糊滑模控制作者：王巍，汪玉凤，郭凤仪， WANG Wei， WANG Yu-feng， GUO Feng-yi 作者单位：辽宁工程技术大学,辽宁葫芦岛,125105 刊名：微特电机英文刊名：SMALL & SPECIAL ELECTRICAL MACHINES 年，卷(期)：2010，38(8) 被引用次数：0次参考文献(11条) 1.Elmas https://www.wendangku.net/doc/6b6257903.html,tun O A hybrid controller for the speed control of a permanent magnet synchronous motor drive 2008(1) 2.沈艳霞.纪志成基于无源性永磁同步电机模糊滑模控制系统研究 2007(17) 3.Ilioudis V C.Margaris N I PMSM Sensorless Speed Estimation Based on Sliding Mode Observers 2008 4.赵德宗.张承进.郝兰英一种无速度传感器感应电机鲁棒滑模控制策略 2006(22) 5.Han Y S.Choi J S.Kim Y S Sensorless PMSM Drive with a Sliding Mode Control Based Adaptive Speed and Stator Resistance Estimator 2000(5) 6.王巍.郭凤仪.侯利民滑模控制的PMSM无速度传感器最优转矩控制 2009(3) 7.Cárdenas R.Pe(n~)a R MRAS Observer for Sensorless Control of Standalone Doubly Fed Induction Generators 2005(4) 8.王庆龙.张崇巍.张兴基于变结构模型参考自适应系统的永磁同步电机转速辨识 2008(9) 9.Bianchi N.Bolognani S Advantages of Inset PM Machines for Zero-Speed Sensorless Position Detection 2008(4) 10.秦峰.贺益康.贾洪平基于转子位置自检测复合方法的永磁同步电机无传感器运行研究 2007(3) 11.Jeong Y Initial rotor position estimation of an interior permanent magnet synchronous machine using carrier frequency injection methods 2005(1) 相似文献(10条) 1.期刊论文骆再飞.蒋静坪.曹芳祥.LUO Zai-fei.JIANG Jing-ping.CAO Fan-xiang交流伺服系统的动态模糊滑模控制策略研究-机电工程2008,25(11) 为提高永磁同步电机(PMSM)交流伺服系统的动静态性能,提出了一种动态模糊滑模控制方法.采用"距离"减少了模糊输入维数和模糊规则,减少控制器的计算量从而加快了响应速度;并利用自适应算法改善了系统性能.仿真试验表明,该方法能明显削弱抖振,提高稳态精度,并具有动态响应速度快的特点以及较强的鲁棒性. 2.期刊论文王洪斌.穆太青.高殿荣基于模糊滑模控制的永磁同步液压电机泵变速控制的研究-武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2010,34(1) 提出一种永磁同步液压电机泵模型,即把永磁同步电机转子作为液压泵缸体,以进一步提高液压传动的整机效率.通过控制电机转速直接调节泵的输出流量,使电机泵提供的功率与负载匹配,从根本上提高液压调速系统的效率.同时建立了该液压电机泵变速控制系统的数学模型.针对永磁同步电机非线性、多变量、强耦合的特点,将模糊和滑模控制理论运用到永磁同步电机直接转矩控制中,以提高系统的鲁棒性和快速性.对转速阶跃变化进行仿真研究,仿真结果表明该策略具有良好的鲁棒性和快速性. 3.期刊论文黄石维.周国荣.HUANG Shi-wei.ZHOU Guo-rong永磁同步电机的模糊滑模控制-机械工程与自动化 2010(1) 为了实现高性能永磁同步电动机伺服系统快速而精确的位置跟踪控制,在滑模控制策略中引入模糊控制算法,设计了基于模糊规则的滑模控制器;并通过理论分析和控制仿真,证实了模糊滑模控制很好地解决了抖振问题,对参数变化和负载扰动具有很好的鲁棒性,永磁同步电机可获得很好的位置跟踪效果. 4.学位论文刘梦溪交流伺服系统的滑模控制研究2008 随着现代化工业的不断发展，交流伺服系统在许多领域的应用日益广泛，对其性能要求也越来越高。由于交流伺服系统本质上具有非线性、多变量、参数时变的性质，因此要实现高品质的控制，对控制策略就提出了很高的要求。本文针对在交流伺服驱动系统中一些尚待解决的的控制问题将一些新的控制方法引入交流伺服系统，力求以新的控制方式和策略提高整个系统的鲁棒性。滑模控制对系统模型不精确和外部扰动具有较强的鲁棒性，因此获得了广泛应用。但滑模控制的高频抖振现象却成为限制其应用的主要障碍。模糊控制作为利用专家知识和经验的有效方法，特别适用于复杂、非线性、时变的系统，但大多数模糊控制系统缺少保证系统性能的分析方法。将模糊控制

工业机器人课程设计--多功能机械手-精品

《机器人应用技术》课程作品设计说明书作品名称：多功能机械手专业：机电一体化技术班级：机电124班 2014 年10 月1 日

一课题概述 1、选题背景随着我国经济的高速发展，各种电子产品和各种创新机械结构的出现，工业机器人的作用在装配制造业产业中的地位更加重要了。另一方面随着人们生活水平的提高传统制造产业劳动力生产成本进一步提高，这也使企业意识到用高速准确的机械自动化生产代替传统人工操作的重要性。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。在机械行业中，机械手越来越广泛的得到应用，它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更为普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。但目前我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。在这样一个大的背景下结合自己的专业机电一体化，我们选择多功能机械手来作为我们的设计题目。结合专业特点使用德国慧鱼机器人教学模型作为我们实现这一课题的元件。利用慧鱼模型的各种机械结构组装出机械手的机械部分，用pc编程实现对机械手的自动控制，

无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真

无刷直流电机的滑模控制器的设计与仿真摘要舵伺服系统在航空航天领域，有着广泛应用和重要的研究价值。应用无刷直流电机作为舵系统执行器，可以增大系统输出转矩，实现系统小型化。本文基于无刷直流电机执行器，利用 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元，应用滑模变结构控制策略，实现舵机系统伺服，提高舵系统抗扰性和信号响应的快速性；并在系统中加入滑模观测器，实现对于系统内部状态量的观测，为实现无位置传感器控制提供条件本文应用无刷直流电机作为舵系统执行器，通过分析和设计滑模变结构控制算法，实现舵系统位置伺服控制，利用滑模变结构控制策略的特性，提高系统对于扰动和内部参数摄动的鲁棒性，与基于传统控制策略的伺服机构相比，系统的抗扰性得到了提高。并在系统中引入滑模观测器，利用电流、电压传感器采样相电流和相电压作为该观测器的给定量，观测出电机的速度，转子运动换相位置信号和三相反电动势波形，从而实现电机的无位置传感器控制。本文通过分析舵伺服机构的主要结构和工作原理，根据实际系统技术要求，设计出基于电动伺服系统的数字控制器。利用 DSP 强大的数据处理能力和 FPGA 并行运算能力，实现设计的控制算法，提高舵系统的性能。通过 MATLAB 中 Simulink 环境下构建理想系统模型，应用滑模控制算法，进行模型仿真。通过系统仿真分析，设计出满足离散系统的滑模控制器参数。通过 DSP 与 FPGA 结合的核心处理单元实现滑模变结构控制算法，应用于舵伺服系统中[1]。最后，通过完成整体硬件与软件平台设计，实现对舵伺服系统的控制。通过仿真和实验结果分析，验证了滑模控制具有强鲁棒性和抗扰性，满足舵系统对于快速性和抗扰性的技术要求，提高了系统整体控制性能。关键字：滑模控制；滑模观测器；无刷直流电机；舵伺服系统；DSP+FPGA

机器人课程设计报告

智能机器人课程设计总结报告姓名：组员：指导老师: 时间:

一、课程设计设计目的了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于实践。经过学习，具体掌握智能机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。基本要求：要求设计一个能走迷宫(迷宫为立体迷宫)的机器人。要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。要有走迷宫的策略（软件流程图）。对于走迷宫小车控制系统设计主要有几个方面：控制电路设计，传感器选择以及安放位置设计，程序设计二、总体方案 2.1 机器人的寻路算法选择将迷宫看成一个m*n的网络，机器人经过传感器反馈的信息感知迷宫的形状，并将各个节点的与周围节点的联通性信息存储于存储器中，再根据已经构建好的地图搜索离开迷宫的路径。这里可选择回溯算法。对每个网格从左到右，每个网格具有4个方向，分别定义。并规定机器人行进过程中不停探测前方是否有障碍物，同时探测时按左侧规则，进入新网格后优先探测当前方向的左侧方向。探测过程中记录每个网格的四个方向上的状态：通路、不通或未知，探测得到不同状态后记记录，同时记录当前网

格的四个方向是否已被探测过。若某网格四个方向全部探测过则利用标志位表示该网格已访问。为了寻找到从起点到终点的最佳路径，记录当前网格在四个方向上的邻接网格序号，由此最后可在机器人已探测过的网格中利用Dijkstra算法找到最佳路径。并为计算方便，记录网格所在迷宫中行号、列号。并机器人探索过程中设置一个回溯网格栈记录机器人经过的迷宫网格序号及方向，此方向是从一个迷宫网格到下一个迷宫网格经过的方向。设置一个方向队列记录机器人在某网格内探测方向的顺序。设置一个回溯路径数组记录需要回溯时从回溯起点到回溯终点的迷宫网格序号及方向。考虑到迷宫比较简单，且主要为纵横方向的直线，可采用让小车在路口始终左转或者始终右转的方法走迷宫，也就是让小车沿迷宫的边沿走。这样最终也能走出迷宫。本次课程设计采用此方法。即控制策略为机器人左侧有缺口时，向左进入缺口，当机器人前方有障碍是，向右旋转180°，其余情况保持前进。 2.2 传感器的选择由于需要检测机器人左侧和前方是否有通路，采用红外传感器对机器人行进方向和左侧进行感知。红外避障传感器是依据红外线的反射来工作的。当遇到障碍物时，发出的红外线被反射面反射回来，被传感器接收到，信号输出引脚就会给出低电平提示信号。本机器人系统的红外避障信号采用直接检测的方式进行，直接读取引脚电平。传感器感应障碍物的距离阈值能够经过调节

工业机器人课程设计

河南机电高等专科学校《机器人应用技术》课程作品设计说明书作品名称：多功能机械手专业：机电一体化技术班级：机电124班扣号：1534542251 姓名：流星 2014 年10 月1 日

滑模控制与智能计算

滑模控制方法 1 / 4 滑模控制与智能计算 1.1 滑模控制与智能计算[1][2] 1.1.1 滑模控制基本理论 SMC 由前苏联V.I.Utkin 和S.V.Emlyanov 教授在20世纪50年代末期提出，其为一种特殊的变结构控制。对于如下MIMO-SMC 系统 (0-1) 其中为系统状态矢量，为控制输入，表示影响控制系统性能的所有因素，如扰动和系统参数不确定性。若，那么存在控制使得，也即扰动满足匹配条件，此时SMC 对MIMO 仍然具备不变性特点。 SMC 的设计流程主要包括两步（设计SMC 的两个主要阶段）：（1）趋近阶段：系统状态在有限时间内由任意初始状态趋近switching manifold ；（2）滑模阶段：系统状态在switching manifold 上作滑模运动，也即switching manifold 成为吸引子。那么SMC 的两个主要设计步骤为switching manifold 设计和不连续控制律设计，前者选取switching manifold 以满足期望的动态特征，一般可选取为线性超平面，后者通过设计不连续控制以保证switching manifold 有限时间可达，该控制器为局部或全局的，取决于特殊的控制需求。对于系统(0-1)，依据SMC 的主要设计步骤，switching manifold 可表示为，其中为由系统动态特性要求决定的m-维矢量。 SMC 控制律控制结构如下 (0-2) 其中根据SMC 理论，当sliding mode occurs 等效控制律可推导如下 (0-3) 不失一般性，假设非奇异。一般而言，存在虚拟控制可使滑模，那么可得 (0-4)

滑模控制基本概念总结

滑模控制基本概念总结滑模控制基本概念 1 滑模控制首先做的事情就是寻找切换面s(x)，切换面就是让系统的轨迹最终能到达这个切换面上，并且沿着切面运动，所以切换面一定是稳定的，既当x沿着s(x)运动时，x 最终变为零，既到达平衡点。一般x取误差和误差的导数，这样就适用于典型的反馈控制。所以关键问题是选择s(x)=cx的系数c，是s(x)稳定，方法较多，典型的就是 s(x)=x1+cx2,c>0,x1导数为x2，求解微分方程，显然x会趋于0. 2 之后就是选择控制u使系统从任意初始位置出发都可以到达s(x)=0这条曲线（平衡状态），因为上面已经提到，只要到达s(x)=0就会稳定到0点，所以此时u的选取原则就是 1）能达性，既能到达s(x)=0 可以验证，如果s(x)s(x)'<0就可以满足上述条件。按此条件设计的控制称为切换控制。（李雅普诺夫第二判别法，函数正定，导数负定？） 2）跟踪性，既到达s(x)=0后就不要乱跑了，必须在s(x)上运动。可以验证，如果s(x)=0，s(x)'=0，x就不会脱离s(x)=0了。按此条件设计的控制称为等效控制。这样滑模控制的设计就完成了。传统的滑模控制属于切换控制，既使x到达s(x)=0就算达到目标了，因为根据切换面的性质会自动收敛到平衡原点，我想又提出等效控制的原因就是因为切换控制抖振的存在，使其性能很不好，因为等效控制其实已经不是变结构控制了，而是根据理想的模型设计的理想控制。这样综合两个控制就可以使当x远离s(x)=0时等效控制不起作用，而切换控制其作用，当x到达s(x)=0时，切换控制不起作用，而等效控制其作用。不过目前还有很多方法可以是系统任何初始状态都在s(x)=0内，按理说只使用等效控制就可以了，但如果考虑到系统的不确定性，那么还是需要切换控制的，因为切换控制鲁棒性极强，即使系统出现偏差还是可以使其回到s(x)=0上，这时在使用等效控制。 1 / 1

机器人课程设计报告范例

**学校机器人课程设计名称院系电子信息工程系班级10电气3 姓名谢士强学号107301336 指导教师宋佳

第一章绪论 1.1课程设计任务背景机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成．这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人一环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统现在机器人普遍用于工业自动化领域，如汽车制造，医疗领域，如远程协助机器人，微纳米机器人，军事领域，如单兵机器人，拆弹机器人，小型侦查机器人（也属于无人机吧），美国大狗这样的多用途负重机器人，科研勘探领域，如水下勘探机器人，地震废墟等的用于搜查的机器人，煤矿利用的机器人。如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95% 的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明 1.2课程设计的要求设计一个机器人系统，该机器人可以是轮式、足式、车型、人型，也可以是仿其他生物的，但该机器人应具备的基本功能为：能够灵活行进，能感知光源、转向光源并跟踪光源；另外还应具备一项其他功能，该功能可自选（如亮灯、按钮启动、红外接近停止等）。具体要求如下： 1、根据功能要求进行机械构型设计，并用实训套件搭建实物。 2、基于实训套件选定满足功能要求的传感器； 3、设计追光策略及运动步态； 4、用NorthStar设计完整的机器人追光程序； 5、调试； 6、完成课程设计说明书，内容：方案设计、硬件搭建过程（附照片）、控制算法流程、程序编写、调试结果、心得体会。

机器人课程设计

沈阳工程学院课程设计设计题目：三自由度微型直角坐标工业机器人模型设计系别自控系班级测本081 学生姓名步勇捷学号 2008310110 指导教师祝尚臻职称讲师起止日期：2012年 1 月 2 日起——至 2012 年 1 月13 日止 - I -

沈阳工程学院课程设计任务书课程设计题目：三自由度直角坐标工业机器人设计系别自动控制工程系班级学生姓名学号指导教师职称讲师课程设计进行地点： F430 任务下达时间： 2011年 12月31日起止日期：2012 年 1 月2日起——至 2012 年 1 月13日止教研室主任年月日批准 - II -

三自由度直角坐标工业机器人设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： 1了解工业机器人技术的基本知识以及单片机、机械设计、传感器等相关技术。 2初步掌握工业机器人的运动学原理、传动机构、驱动系统及控制系统并应用于工业机器人的设计中。3通过学习，掌握工业机器人的驱动机构、控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。 1.2 基本要求 1要求设计一个微型的三自由度的直角坐标工业机器人； 2要求设计机器人的机械机构（示意图），传动机构、控制系统、及必需的内外部传感器的种类和数量布局。 3要有控制系统硬件设计电路。 1.3 发挥部分自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；（3）设计过程的资料保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。 3 时间进度安排顺序阶段日期计划完成内容备注 1 2012.1. 2 讲解主要设计内容，布置任务打分 2 2012.1. 3 检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分 3 2012.1. 4 检查机械结构设计并指出错误及纠正；打分 4 2012.1. 5 继续机械机构和传动机构设计打分 5 2012.1. 6 进行控制系统设计打分 6 2012.1.9 检查控制系统原理图设计草图打分 7 2012.1.10 完善并确定控制系统打分 8 2012.1.11 指导学生进行驱动机构的选择打分 9 2012.1.12 进行传感器的选择和软件流程设计打分 10 2012.1.13 检查任务完成情况并答辩打分 - III -

智能扫地机器人课程设计

1、课题背景及研究的目的和意义 1.1课题背景扫地机器人是服务机器人的一种，可以代替人进行清扫房间、车间、墙壁等。提出一种应用于室内的移动清洁机器人的设计方案。其具有实用价值。室内清洁机器人的主要任务是能够代替人进行清扫工作，因此需要有一定的智能。清洁机器人应该具备以下能力：能够自我导航，检测出墙壁，房间内的障碍物并且能够避开；能够走遍房间的大部分空间，可以检测出电池的电量并且能够自主返回充电，同时要求外形比较紧凑，运行稳定，噪音小；要具有人性化的接口，便于操作和控制。结合扫地机器人主要功能探讨其控制系统的硬件设计。 1.2研究目的和意义国家农业智能装备工程技术研究中心邱权博士介绍说，扫地机器人可以看作是一种智能吸尘器，通过其基于传感器检测的智能运动规划算法使原本由人操作的吸尘器成为一个可自主运行的智能化设备。它通过各种传感器，比如碰撞开关、红外接近开关、超声传感器、摄像头等，来感知自身的位置和状态，通过智能算法决定当前的任务状态。它可以根据某个传感器检验地面清洁程度，根据历史信息确定哪些区域已经打扫过，它的充电座会发出红外线信息，在电量低于一定值后，它开始寻找红外信息来自动充电。防跌落是基于机器人底部所安装的红外传感器检测地面的距离，当距离发生变化时机器人将停止并改变路线。由于扫

地机器人是一个智能化产品， 1.3工作原理扫地机器人机身为可移动装置，机器人依托红外识别以及超声波测距从而避障，配合芯片控制内部电机转动以及内部真空环境吸尘，通过路线设计，在室内自由行走，由中央主刷旋转清扫，并且辅以边刷，沿直线或者之字形活动路径打扫。 2、设计要求与内容 1）以 AT89S52系列单片机为核心设计移动清扫机器人电机驱动与控制电路，采用红外传感器和超声波传感器完成障碍物检测电路设计，完成充电站检测电路设计，完成避障算法与路径规划算法设计。 2）按键选择清扫模式和充电模式。 3）显示方式LED 显示当前时间和机器人当前工作状态。 3、系统方案设计 3.1设计任务 1）利用AT89S52处理器编程实现电机驱动。 2）液晶显示扫地机器人的内部参数。 3）当扫地机器人显示电量不足时，无线模块发送命令到充电桩，开始进行充电模式，此时红外发射光线充电桩与扫地机器人充电接口对接，此

滑模变结构控制理论及其算法研究与进展_刘金琨

第24卷第3期2007年6月控制理论与应用 Control Theory&Applications V ol.24No.3 Jun.2007滑模变结构控制理论及其算法研究与进展刘金琨1,孙富春2 (1.北京航空航天大学自动化与电气工程学院,北京100083;2.清华大学智能技术与系统国家重点实验室,北京100084) 摘要:针对近年来滑模变结构控制的发展状况,将滑模变结构控制分为18个研究方向,即滑模控制的消除抖振问题、准滑动模态控制、基于趋近律的滑模控制、离散系统滑模控制、自适应滑模控制、非匹配不确定性系统滑模控制、时滞系统滑模控制、非线性系统滑模控制、Terminal滑模控制、全鲁棒滑模控制、滑模观测器、神经网络滑模控制、模糊滑模控制、动态滑模控制、积分滑模控制和随机系统的滑模控制等.对每个方向的研究状况进行了分析和说明.最后对滑模控制的未来发展作了几点展望. 关键词:滑模控制;鲁棒控制;抖振中图分类号:TP273文献标识码:A Research and development on theory and algorithms of sliding mode control LIU Jin-kun1,SUN Fu-chun2 (1.School of Automation Science&Electrical Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing100083,China; 2.State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems,Tsinghua University,Beijing100084,China) Abstract:According to the development of sliding mode control(SMC)in recent years,the SMC domain is character-ized by eighteen directions.These directions are chattering free of SMC,quasi SMC,trending law SMC,discrete SMC, adaptive SMC,SMC for mismatched uncertain systems,SMC for nonlinear systems,time-delay SMC,terminal SMC, global robust SMC,sliding mode observer,neural SMC,fuzzy SMC,dynamic SMC,integral SMC and SMC for stochastic systems,etc.The evolution of each direction is introduced and analyzed.Finally,further research directions are discussed in detail. Key words:sliding mode control;robust control;chattering 文章编号：1000?8152(2007)03?0407?12 1引言(Introduction) 滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制,其非线性表现为控制的不连续性,这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定,而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化,迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动.由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关,这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识,物理实现简单等优点.该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后,难于严格地沿着滑模面向着平衡点滑动,而是在滑模面两侧来回穿越,从而产生颤动. 滑模变结构控制出现于20世纪50年代,经历了50余年的发展,已形成了一个相对独立的研究分支,成为自动控制系统的一种一般的设计方法.以滑模为基础的变结构控制系统理论经历了3个发展阶段.第1阶段为以误差及其导数为状态变量研究单输入单输出线性对象的变结构控制;20世纪60年代末开始了变结构控制理论研究的第2阶段,研究的对象扩大到多输入多输出系统和非线性系统;进入80年代以来,随着计算机、大功率电子切换器件、机器人及电机等技术的迅速发展,变结构控制的理论和应用研究开始进入了一个新的阶段,所研究的对象已涉及到离散系统、分布参数系统、滞后系统、非线性大系统及非完整力学系统等众多复杂系统,同时,自适应控制、神经网络、模糊控制及遗传算法等先进方法也被应用于滑模变结构控制系统的设计中. 2滑模变结构控制理论研究进展(Develop-ment for SMC) 2.1消除滑模变结构控制抖振的方法研究(Research on chattering elimination of SMC) 2.1.1滑模变结构控制的抖振问题(Problems of SMC chattering) 从理论角度,在一定意义上,由于滑动模态可以收稿日期:2005?10?19;收修改稿日期:2006?02?23. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(60474025,90405017).