基于Adams和Matlab的自平衡机器人仿真_图文

1、 第2期龚建球,等:基于Adams和Matlab的自平衡机器人仿真率的系统。Simulink包含有SINKS(输入方式、SOURCE(输入源、LINEAR(线性环节、NONLINEAR(非线性环节、CONNECTIONS(连接与接口和EXTRA(其他环节子模型库,而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建自己的专用模块。用Simulink 创建的模型可以具有递阶结构,用户可以采用从上到下或从下到上的结构创建模型。用户可以从最高级开始观看模型,然后用鼠标双击其中的子系统模块,来查看其下一级的内容,以此类推,从而可以看到整个模型的细节,帮助用户理解模型的结构和各模块之间的相互关系

2、。在定义完一个模型后,用户可以通过Simulink的菜单或Matlab的命令窗口键人命令来对它进行仿真。2动力学仿真建模机械系统是指由运动副连接多个物体所组成的系统。实际中的系统往往是部分物体作为柔性体考虑,其余物体作为刚体考虑,这样的系统就是刚柔混合多体系统H。分析机器人的动力学模型主要采用二阶拉格朗日方程和牛顿一欧拉方程,另外还有应用高斯原理和阿佩尔(Appel方程以及旋量对偶数法和凯恩(Kane法等来分析动力学问题。Adams/Solver(求解器的核心理论是多体系统动力学,它包括了多刚体系统和多柔体系统。机械系统动力学分析与仿真要经历物理建模、数学建模、问题求解和结果后处理几个阶段1。

3、数学建模和问题求解是分析与仿真中最复杂的过程+,但在Adams和Matlab交互式仿真过程中,这两个过程是自动进行的,除了求解的控制界面外,内部过程对于用户是不可见的。得到分析结果之后,结果通常要与实验结果进行对比,这些对分析结果进行处理的过程是在后处理器完成的,后处理器一般都提供了曲线显示、曲线运算和动画显示功能。Adams和Matlab进行动力学仿真的流程图,如图2所示。建.丑几何模型建立刚体结构施加运动副和运动约束施女“载荷氆嚣眇要警/f是蕊甄委而丽邈嚣爹芝罗,是】匦函一磊丽蒗丽翮分析仿真曲线图2Adams和Matlab动力学仿真流程图2.1自平衡机器人的数学模型自平衡机器人系统具有3个

4、自由度,它们分别是:绕轮子中心的转动、绕质心水平面内的转动和前后方向的移动。对于自平衡机器人应用拉格朗日方程建立被控系统的状态空间模型:÷枷2+m+等+下1(吼+m加2÷觥2一矿J,女R2一下I(嘶+叫月2÷m砰一等一÷c吼+叫R2÷mR2+等+mr只2+÷cm,+叫R2÷mLR÷mLR式中m一车体的质量;m。一左轮的质量;m,右轮的质量;尺一轮子的半径;J。一左轮转动惯量;J,一右轮转动惯量;L一质心水平面内的转动惯量;一质心到转轴的距离;.厂_两车轮轴距一半;p一质心转角;p。一左轮转角;Or一右轮转角;M。一

5、左轮电机转矩;M,一右轮电机转矩。 2.2自平衡机器人的机械系统模型自平衡机器人的动力学模型,如图3所示。该模型是利用Adams/View的元件库建立几何模型,并加上约束和力,以及轮胎文件和路谱文件而得到的。模型选用了MF.Tyre型轮胎,它是目前Adams/瓢Tire中描述稳态和非稳态侧偏精度最好的轮胎模型。模型还考虑了轮胎高速旋转时的陀螺耦合,侧偏和纵滑的相互影响以及外倾对侧偏和纵滑的影响。模型采用ISO坐标系及水平路面模型,其中的水平路图3自平衡机器人的动力学模型M,肼峨+吼啡8人L O O W0O Om m厶腮脯+彬机电:|【=程第25卷面是根据系统提供的路面谱样本文件进行适当修改而建

6、成的。2.3状态变量的设置及控制模型的建立系统总共有6个状态变量,其中包括2个输人和4个输出。输入状态变量包括:左轮角速度(AngleVI。和右轮角速度(AngleVR;输出状态变量包括:车体质心倾角(AngleA和质心倾角角速度(AngleV以及机器人的平动移动速度(V和位移(x。车体倾角由倾角传感器测量,倾角角速度由微硅陀螺仪测量。机器人的移动速度和位移由伺服电机编码器问接测量。系统输入/输出状态变量设置,如图4所示。据此加载Adams/CONTROL模块,进行状态输出。图4系统输入/输出变量设置启动Matlab,设置好工作目录,在命令提示符下键入建立好的Adams输入/输出信息文件名,M

7、atlab显示输入/输出信息:%INFO:Adams plant actuators names:1AngleVL2AngleVR%INFO:Adams plant sensors names:l V2X3AngleA4AngleV利用Adamssys接口命令打开Adamssub子模块,如图5所示。图5Adamssub子模块打开Simulink,选择新建,创建一个MDI文件,把Adamssys拖进新控制模块窗口,接着从Simulink库中选择所设讨的各个控制环节,连接各环节,最后设置控制参数,控制模型(图创建完毕,如图6所示。图6控制模块甲Adams l罡遇占.鐾A d a m s3系统仿真在所创建的模型窗口中,选择Simulation菜单中的Parameters,系统弹出设置仿真参数对话窗,设置仿真参数。然后选择Simulation菜单中的Start按钮,仿真开始。结果可在Adams/PostPocessor中进行编辑和处理。车体倾角的仿真曲线,如图8所示。车体角速度的仿真曲线,如图9所示。车体速度的仿真曲线,如图10所示。由图8、图9和图10分析可知:当机器人受到一个扰动时,角速度有个