基于LabVIEW的平衡车建模与仿真研究

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者和指导教师完全了解沈阳建筑大学有关保留、 使用 学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳建筑大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 （如作者 和导师同意论文交流，请在下方签名；否则视为不同意。 ） 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 不限□ 半年□ 一年□ 一年半□ 导师签名： 日 期： 两年□
硕士研究生学位论文
Abstract
III
displacement tracking control effect simulation with the three kins of control algorithm, the balance control effect and speed tracking effect are very well. At last we contrast analysis the three control algorithm, the analysis results show that, fuzzy control has best robustness and transient characteristics, Poles configuration control is second, LQR worst. But LQR have very good steady characteristics, and realize easier. Keywords: Self-balancing vehicle; LabVIEW; Pole configuration; Linear Quadratic Regulate; Fuzzy control
II
Abstract
硕士研究生学位论文
Abstract
Self-balancing vehicle based on the inverted pendulum model, with multi- variable, non- linear, strong coupling, time- varying, and parameters of uncertainty. This complex experimental device has become an ideal platform to study control theory and control technology. The vehicle is small in mechanism and can make a flexible motion. So it is fit for tasks in narrow and dangerous space and has a wide foreground both in civilian and military application. Therefore in this paper we choose self-balancing vehicle as the research object, because its important theoretical significance and application value. The LabVIEW is graphical programming languages and development environment, called the engineer's language, Using the LabVIEW control design toolkit, can facilitate rapid to modeling, analysis and design control algorithm for self-balancing vehicle system. The national instruments (NI) launched the CompactRIO which is a section industrial-class embedded measurement and control system, it integration of the embedded real-time controller, programmable hardware logic and reconfigure the I/O modules. NI CompactRIO system and the LabVIEW development environment can seamless connection, users can easily through the graphical development environment access to low-level hardware, quickly built balanced car embedded hardware control system, and in the upper machine with simulation verify the algorithm of the successful deployment to car controller inside,the entire development process is clear, friendly interface, can greatly shorten the balanced car from algorithm to prototype development time. The control system design， mathematical modeling and controller developing processes involved in self-balancing vehicle are mainly discussed in this paper. Based on in analysis inter-external self-balancing vehicle of control system structure composition, we choose the NI CompactRIO embedded measurement system to constructe the control system for self-balancing vehicle.Through kinematics analysis of self-balancing vehicle, the kinematics model was established. The mathematic models of self-balancing vehicle’ s kinetic energy, potential energy and dissipative energy were obtained. Then, self-balancing vehicle’ s dynamic model was established by Lagrange equation. Then based on the linear state equation model, the controllabilty, observability, stability are analyzed.both kinematic and dynamic model provide a theoretical basis for the design of control strategy. Poles configuration, linear quadratic algorithm and fuzzy control algorithm are applicable control algorithm for self-balancing vehicle. In this paper, based on the LabVIEW and control design toolkit we designed pole configuration controller, linear quadratic optimal regulator and fuzzy controller for self-balancing vehicle, And through the balance control effect and
作者签名： 日 期：
ห้องสมุดไป่ตู้ 硕士研究生学位论文
第一章 绪 论
1
第一章 绪论
1.1 论文概述
1.1.1 论文的提出 机器人作为一种新型的生产工具，应用范围已经越来越广泛，几乎渗透到各个领域， 是一项多学科理论与技术集成的机电一体化技术[1]。 机器人技术在八十年代后期已经形成 比较系统的科学体系，它将机构学、电子技术、控制理论、计算机技术、传感器技术和人 工智能等相关学科融为一体，不断吸收其他学科诸如材料，能源科学的最新成果，形成了 一门独立的高科技学科。 平衡车也称为本质不稳定自主移动机器人， 属于移动机器人的范畴， 移动机器人由于 其广阔的应用前景，已经成为机器人研究领域的一个重要分支。 按其移动方式可以分为轮 式、履带式、腿式等。其中轮式机器人由于具有结构简单、成本低等特点，已经成为机器 人研究的重要方向[2]。 轮式机器人在工作过程中会遇到工作区域狭窄、工作环境复杂多变的工作环境，如何 在复杂的环境里灵活完成任务， 使机器人能够适应特定的环境及任务需求而且在变化的复 杂环境中也能够体现出灵活适应性，是一个值得研究的课题。 平衡车的概念就是在这样的背景下提出来的。平衡车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，车的重心在两车轮轴上方，通过运动保持动态平衡，可直立 行走。由于其结构特殊，其适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些复杂环境里的 工作。作为一个新兴的研究方向，平衡车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。 LabVIEW 是实验室虚拟仪器集成环境（ Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）的简称，是美国国家仪器公司（NI）于 1986 年推出的虚拟仪器开发平台， 被称为“科学家与工程师的语言” 。它是一个开放型的开发环境，使用图标代替文本代码 创建应用程序的图形化编程语言。LabVIEW 具有性能高、扩展性强、性价比高、开发时 间短、具有和其他设备互连的能力、具有良好的人机界面等优点。虚拟仪器由于其可视化 的工作环境及图形化的应用接口，克服了传统方法编程和调试过程的缓慢与不方便，利用 图形编程工具设计实现虚拟仪器，可以成倍地提高生产率，大大缩短了开发时间，因此获 得了广泛应用[3] 。本文基于 LabVIEW 环境及其控制设计工具包，设计平衡车的控制算法 并对控制算法进行仿真验证。 1.1.2 研究的目的和意义 平衡车是一个高度不稳定系统，具有不稳定、多耦合、非线性、参数不确定性等特性， 是动力学理论和自动控制理论相结合的研究课题， 是检验各种控制方法处理能力的典型装 置[4-5]。平衡车作为一种研究装置，可在上面进行不确定性系统控制、非线性系统控制、 自适应控制、智能控制等研究。平衡车各相参数物理意义明显，观察方便，是很有潜力的 实验工具。其次建立在自平衡基础之上其他性能，例如复杂环境下的导航、拐角的转弯等
声 明
本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下独立完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我共同工作过的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。
作者签名： 日 期：
沈阳建筑大学 硕士学位论文 基于LabVIEW的平衡车建模与仿真研究 姓名：万明伦 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：孙军 2011-03
硕士研究生学位论文
Abstract
I
摘 要
基于倒立摆模型的平衡车属于轮式机器人的范畴， 其动力学系统具有多变量、 非线性、 强耦合、参数不确定等特性，这使得它成为验证各种控制算法的理想模型。同时，其体积 小、结构简单、运动灵活，适于在狭小和危险的空间内工作，在民用和军事上有着广泛的 应用前景，因此本文选择平衡车作为研究对象具有重要的理论意义和应用价值。 LabVIEW 是图形化的编程语言和开发环境， 被称为工程师的语言， 借助 LabVIEW 控 制设计工具包，可以方便快速的对平衡车系统进行建模、分析和控制算法设计。美国国家 仪器公司（NI）推出的 CompactRIO 是一款工业级嵌入式测控系统，集成了嵌入式实时 （Real-time）控制器、可编程硬件逻辑（FPGA）和可重配置的 I/O 模块。NI CompactRIO 系统和 LabVIEW 开发环境可以无缝连接， 使用户可以轻松的通过图形化开发环境访问底 层硬件，快速建立平衡车嵌入式硬件控制系统，并把在上位机上经过仿真验证的成功的算 法部署到平衡车控制器里面，整个开发流程清晰，界面友好，能大大缩短平衡车从算法到 原型的开发时间。 本文旨在探讨平衡车控制系统设计、数学建模和控制算法设计相关问题。 在分析和借 鉴国内外平衡车的控制系统结构组成基础上，我们选择 NI 的 CompactRIO 嵌入式测控系 统构建平衡车的控制系统。通过分析平衡车的运动规律，建立了小车的运动学模型，得到 小车动能、势能和耗散能的数学模型，并根据拉格朗日方程建立小车的动力学模型，基于 小车的状态空间模型，进行了小车系统稳定性、能控性和能观性分析，为平衡车控制器的 设计提供理论依据。 极点配置、 线性二次型算法和模糊控制算法都是平衡车适用的控制算法。 本文中基于 LabVIEW 及其控制设计工具包完成了平衡车的极点配置控制器、线性二次最优调节器 （LQR） 和模糊控制器的设计，并通过对平衡车三种控制器的平衡控制和位移跟踪控制效 果仿真， 都获得了理想的平衡控制与位移跟踪效果。在最后对本论文中用到的三种控制算 法进行了对比分析，结果表明，模糊控制有好的鲁棒性和瞬态性，极点配置控制次之， LQR 最差，但是 LQR 有很好的稳态特性，而且实现难度较低。 关键词：平衡车；ＬａｂＶＩＥＷ；极点配置；最优二次调节器；模糊控制