移动机器人——独轮机器人研究综述

1、移动机器人独轮机器人研究综述吴 霜3110000309研究历史SWR的研究始于20 世纪七八十年代，主要集中于日本、美国等国家1987年，斯坦福大学的Schoonwinkel等人根据人骑独轮车原理，应用轮子、支架和旋转的水平转盘3 部分设计了一种SWR（LQR控制）1990 年，麻省理工学院的Vos等人根据Schoonwinkel等人的模型，提出一种新的LQG控制结构,，实现了这种机器人的稳定性控制，但没有实现机器人的运动控制（LQG算法）1996年，卡耐基梅隆Brown等人依照陀螺前进原理，发明了Gyrover机器人1997年，日本筑波大学研制了一种具有橄榄球形状的宽大轮子的独轮机器人，并且

2、将机器人分成上、下2个用铰链关节连接的部分。由于其轮子很宽大，因此基本不存在侧向平衡的问题。2005年卡内基梅隆大学的研究者Lauwers 等研制与独轮机器人很类似的机器人称为独轮球机器人，它将独轮机器人的轮子换成的一个可朝任意方向滚动的球2007 年，美国加州大学圣地亚哥分校研制成功一款名为UniBot 的SWR，利用极点配置算法控制上端的竖直飞轮和下端的一个行走轮，成功地实现了自身的平衡2008 年，日本村田制作所推出了名为“村田少女”的独轮车机器人，该机器人通过转动机器人体内配备的惯性轮保持侧向平衡, 而前向平衡则通过机器人的车轮来控制难题 - 平衡（目前） 建模复杂拉格朗日法、凯恩法

3、干扰卡尔曼滤波 欠驱动或不稳定 非线性线性化、微分几何（滑膜控制） 俯仰、横滚、航向之间耦合解耦控制 静态不稳定动平衡 MIMO系统角度、角速度、位置、速度反馈动力学建模方法 牛顿欧拉法受力分析 拉格朗日方程 - 劳斯方程基于能量、计算量大 凯恩法（非完整性系统）矢量运算（计算量小）、有递推公式（方便计算）典型结构典型结构水平飞轮（容易转向）竖直飞轮（容易平衡）陀螺仪结构橄榄球形状球形结构控制策略PD控制、极点配置（LQ控制）线性化、解耦、分层非线性：非线性PID、H-inf、自适应、模糊、神经网络、滑膜神经网络反演迭代学习控制中国进展：20092013北京工业大学（阮晓钢）哈尔滨工业大学国内

4、进展 郭磊等人研究了一种带水平飞轮和运动配重机构的独轮机器人的动力学模型，并根据线性理论MIMO（3I3O）方法设计控制算法对其进行了控制实验 阮晓钢等人利用滑模变结构和模糊控制方法对忽略SWR偏转角和左右方向位移的退化模型进行了控制研究 双闭环非线性PID控制、自适应单神经元双闭环控制电气控制结构参考文献Brown Jr, H. B., & Xu, Y. (1996, April). A single-wheel, gyroscopically stabilized robot. In Robotics and Automation, 1996. Proceedings., 1996 IEE

5、E International Conference on (Vol. 4, pp. 3658-3663). IEEE.Nakajima, R., Tsubouchi, T., Yuta, S., & Koyanagi, E. (1997, September). A development of a new mechanism of an autonomous unicycle. In Intelligent Robots and Systems, 1997. IROS97., Proceedings of the 1997 IEEE/RSJ International Conference

6、 on (Vol. 2, pp. 906-912). IEEE.Schoonwinkel, A. (1988). Design and test of a computer-stabilized unicycle.Lauwers, T. B., Kantor, G. A., & Hollis, R. L. (2006, May). A dynamically stable single-wheeled mobile robot with inverse mouse-ball drive. In Robotics and Automation, 2006. ICRA 2006. Proceedi

7、ngs 2006 IEEE International Conference on (pp. 2884-2889). IEEE.Vos, D. W. (1992). Nonlinear control of an autonomous unicycle robot: practical issues (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).Xu, Y., Brown, H. B., & Au, K. W. (1999). Dynamic mobility with single-wheel configura

8、tion. The international journal of Robotics Research, 18(7), 728-738.Xu, Y., & Au, S. W. (2004). Stabilization and path following of a single wheel robot. Mechatronics, IEEE/ASME Transactions on, 9(2), 407-419.常文超. (2012). 自平衡独轮机器人控制系统的研究 (Masters thesis, 河北科技大学).陈小磊, 魏世民, & 于秀丽. (2010). 独轮车机器人的发展和技

9、术研究. 机电产品开发与创新, (4), 6-8.郭磊, 廖启征, 魏世民, & 崔建伟. (2009). 独轮车机器人的动力学建模与非线性控制. 系统仿真学报, (9), 2730-2733.胡敬敏.(2010).一种独轮机器人的建模与运动平衡控制的研究D.北京工业大学胡攀辉.(2013) 独轮机器人机械本体机构研制D.哈尔滨工业大学.王攀. (2013). 独轮机器人全方位姿态控制研究及实验验证 (Masters thesis, 哈尔滨工业大学).王启源. (2011). 独轮自平衡机器人建模与控制研究 (Doctoral dissertation, 北京: 北京工业大学).王启源, 阮晓钢, & 于乃功. (2012). 基于单神经元控制器的独轮自平衡机器人