倒立摆自平衡控制 ppt课件

倒立摆自平衡控制
公式： PID控制器的输出为：误差乘比例系数 Kp+积分系数Ki*误差积分+微分Kd*误 差微分。Kp*e + Ki*∫edt + Kd*（de/dt ） （式中的t为时间，即对时间积分、 微分） 口诀： 参数整定找最佳， 从小到大顺序查。 先是比例后积分， 最后再把微分加。
倒立摆自平衡控制
倒立摆自平衡控制
倒立摆自平衡控制
倒立摆自平衡控制
速度控制采用PI控制 输出=速度乘以微分参数+位移乘以比例 参数
倒立摆自平衡控制
倒立摆自平衡控制
制模型：你控制一个人让他以PID控制的方 式走110步后停下。
（1）P比例控制，就是让他走110步，他按 照一定的步伐走到一百零几步（如108步） 或100多步（如112步）就停了。
倒立摆自平衡控制
（2）PI积分控制，就是他按照一定的步伐 走到112步然后回头接着走，走到108步位 置时，然后又回头向110步位置走。在110 步位置处来回晃几次，最后停在110步的位 置。
倒立摆自平衡控制
姿态检测（attitude detection）问题， 是运动系统，包括机器人系统、船舶 、飞机、导弹等，是普遍存在的问题 。姿态检测需要姿态传感器。姿态传 感器种类繁多，不同的姿态传感器， 其构造和原理各不相同。
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1.俯仰姿态
倒立摆自平衡控制
2.横滚姿态
倒立摆自平衡控制
3.偏航姿态
倒立摆自平衡控制
运动系统的姿态测量，一般需要 惯性测量元件（IME） ，包括陀 螺仪、加速度计、倾角仪、罗盘 等。
倒立摆自平衡控制
陀螺仪（gyroscope）是一种重要 的惯性测量元件，是检测随刚体 转动而产生角位移或角速度的传 感器。
倒立摆自平衡Байду номын сангаас制
加速度计（accelerometer）用于 测量于惯性有关的加速度，包括 旋转、重力和线加速度。加速度 计通过三角函数运算得到倾斜角 度。
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两轮机器人的运动平衡控制包含两 个方面： （1）平衡控制。两轮机器人需要始 终保持直立式的姿态 （2）运动控制。两轮机器人在保持 姿态平衡的同时，还需要完成各种 机动任务，如行动、旋转、自旋、 越障等。
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直立控制
转弯控制
倒立摆自平衡控制
为了实现运动平衡控制，两轮直立式 机器人需要取得有关自身运动速度、 行进方向、直立姿态等信息，其中， 平衡姿态的检测是最为重要的。同人 一样，为了保持直立姿态，两轮机器 人需要具有平衡感，因而，需要具备 姿态传感器，来实现姿态检测能力。
电自化1002班 许月朋
倒立摆自平衡控制
倒立摆是处于倒置不稳定状态，人 为控制使其处于动态平衡的一种摆。 如杂技演员顶杆的物理机制可简化为 一级倒立摆系统，是一个复杂、多变 量、存在严重非线性、非自治不稳定 系统。
倒立摆自平衡控制
倒立摆自平衡控制
常见的倒立摆系统一般由小车和摆 杆两部分构成，其中摆杆可能是一级、 两级甚至多级。在复杂的倒立摆系统 中，摆杆长度和质量均可变化。据研 究的目的和方法不同，又有悬挂式倒 立摆、球平衡系统和平行式倒立摆等。
2005年，Kim等运用Newton法建模得 出结论：两轮机器人系统在低速运行时 ，其航向的变化对两轮机器人的姿态平 衡没有明显的影响。
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Lagrange方程法：由Hamilton原理 出发，求出能量函数或Hamilton函数 ，以能量方式建模。
Salerno和Angeles运用Lagrange方程 法建模证明双轮自平衡机器人在平 衡位置小范围局部可控，以及平衡 点以外任意状态均为局部可达。
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PID控制是种简单有效的普适性控 制策略，两轮平衡机器人的三个控 制环节均可以采用PID控制策略。
PID控制是 Minorsky 在研究船舶 驾驶伺服机构的过程中提出来的， 之后成为自动控制理论中最为经典 的自动控制方法。现在的工业过程 中，80%~90%的自动控制系统采用 了PID控制策略。
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（3）PD微分控制，就是他按照一定的步 伐走到一百零几步后，再慢慢地向110步的 位置靠近，如果最后能精确停在110步的位 置，就是无静差控制；如果停在110步附近 （如109步或111步位置），就是有静差控 制。 。
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倒立摆自平衡控制
角度控制采用PD控制 输出=角度乘以比例参数+角速 度乘以积分参数
倒立摆自平衡控制
PID控制，即“比例-积分-微分” 控制策略 （1）P(proportion)：比例控制，控 制量u(t)与误差e(t)成正比。 （2）I(integral)：积分控制，控制量 u(t)与误差e(t)的积分成正比。 （3）D(differential)：微分控制，控 制量u(t)与误差e(t)的微分成正比
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村田的独轮机器人村田少女
美国NASA研制的机器宇航员B
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倒立摆自平衡控制
Newton法：应用质心动量矩定理写 出隔离体的运动学方程，在动力学方程 中出现相邻刚体间的内力矩，其物理意 义明确，并且表达了系统完整的受力关 系。