硕士开题报告参考范文

硕士开题报告参考范文：模糊滑模控制在两轮自平衡机器人的应用研究（一） 课题来源、研究目的及意义课题来源：研究目的及意义：机器人从发明到它作为一个学科被建立起来，机器人技术不断完善和发展，它是人类科学技术进步的最伟大成就之一，机器人从在地面上爬行发展到用两腿直立行走，仅用了二十年的时间，而人类这一进化过程则历经了数百万年，机器人技术和工业正以前所未有的速度发展［1］。两轮自平衡小车是移动机器人研究中的一个重要领域。移动机器人技术随着计算机技术、软件技术、微电子技术、材料技术等相关领域的进步而发展，同航天技术一样，机器人的发展水平甚至代表了一个国家的综合科技实力平［2］。两轮自平衡机器人是一个集环境感知，动态决策与规划，行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统［3］，是动力学理论和自动控制理论与技术相结合的研究课题，其关键是解决在完成自身平衡的同时，还能够适应各种环境下的控制任务。利用外加的红外传感器、速度传感器、倾角传感器、防碰撞开关等，来实现小车的自主壁障、跟踪、路径规划［4~6］等复杂功能。同时，两轮自平衡小车还是一个不稳定机器人动力学系统，其动力学方程是一多变量、强耦合、时变的非线性高阶方程，加上运动学方程中的非完整约束，要求完成的任务也具有多重性。因此，两轮自平衡小车是一个具体的实现起来相对简单的复杂系统，是检验各种控制方法处理能力的典型装置，受到世界各国科学家的重视。在此实验系统上可以运用多种方法进行控制［7~13］，比如变结构控制、模糊控制、神经网络控制、智能控制、自适应控制［14］等，并对各种控制方法提出了挑战，且物理意义明显，观察方便，系统具备复杂系统的特点但其本身又不很复杂，价格低廉，占地面积小，是很有潜力的实验工具。其次建立在自平衡基础之上的两轮小车的其他性能，例如复杂环境下的导航、拐角的转弯等问题也极有可能解决在工业生产和社会生活中的许多问题。（二） 国内外在该方向的研究现状及分析两轮自平衡机器人面世以后，迅速吸引了世界各国机器人研究者的兴趣［15~20］,1995年美国著名发明家迪安卡门开始研制Segway，直到2001年12月，这项高度保密的新发明才公布出来，2003年3月正式在美国市场上市。Segway独特的动态稳定技术与人体的平衡能力相近，五个固态陀螺仪、倾斜传感器、高速微处理器和电动机每秒100次检测车体姿态，测出驾驶者的重心，瞬间完成计算，以每秒20000次的频率进行细微调整，不管什么状态和地形都能自动保持平衡。目前，Segway共拥有三个主要产品系列HT,XT与GT，但其中最早登场的SegwayHT又依照需求差异，还更细分为多种尺码、输出与用途不同的系列。2002年，瑞士联邦工业大学的FelixGrasser等［21］研制出可遥控的两轮自平衡机器人Joe，其最大运动速度可以达到1.5m/s，超过了人的行走速度。由于两轮平行布置，每轮各装有一个直流电机驱动，Joe能稳定地做U型回转。采用解耦状态空间控制器来使系统保持平衡，设计者认为自适应模糊控制可以使Joe的抗干扰能力提高，控制品质上升。同年，瑞士联邦工学院的AldoD'arrigo等人也研究了类似于Segway的一种无线控制的双轮移动机器人，该机器人高65cm、重约12kg，最大速度可以达到1.5m/s,可以30度爬坡。机器人双轮同轴布置，分别有独立的电机驱动。机器人通过倾斜传感器和倾角传感器来检测机器人的本体的倾斜角度和机器人的倾斜角速度，每个电机上各有一个编码盘来检测电机的速度，并由此来获得机器人的加速度和惯性力。采用了极点配置［22~25］和状态反馈线性控制［26,27］方法，能实现平衡，不过不能在自己倒地状态恢复到直立。2003年美国SouthernMethodistUniversity的DavidP.Anderson独立设计的双轮移动机器人nBot，被评为NASA's"CoolRobotoftheWeek"。该机器人体积较大，结构复杂。其主要设计思想是：驱动轮子朝机器人上部分倾斜的方向前进，并使之保持在重心位置之下，机器人可以保持平衡。机器人采用两种传感器用于反馈控制，倾角传感器来测量重心的倾斜程度，每个轮子上各安装有编码计来获得机器人的位置信息。该机器人采用了模糊控制［28~32］方法，能够实现平衡，不过不能在自己倒地状态恢复到自立国内对于双轮自平衡机器人的研究起步比较晚。2002年10月，台湾经济部门工业局大量收集了Segway的相关资料，提供给国内厂商参考，并鼓励厂商利用政府科研的专项基金开发类似的产品。台湾国立中央大学电机工程研究所研制了两轮自平衡机器人，该机器人由个人电脑通过无线通信取得陀螺仪和编码器的讯号，经过模糊控制等控制算法处理之后，发送相对应的控制信号给FPGA，由FPGA送出相应的脉冲信号来控制机器人做前进、后退等动作。连续五年的改进之后，机器人能够完成了各种各样的动作，不过还是没有实现直立。同年，河南科技大学机电工程学院联合洛阳北方企业集团有限公司对该项目进行了攻关和开发研究。2003年7月制作出了第一台样机。它由高性能微处理器、姿态传感器、智能软件等组成控制系统，实现对小车的行走平衡控制。随后进行的行走平衡控制试验验证了控制系统、控制策略设计的合理性和有效性。该项目在双轮行走平衡控制技术方面处于国内领先水平。2003年中国科学技术大学自动化系和力学系多位教授、博导、博士、硕士研究生和本科生联合研制完成自平衡电动代步车(FreeMover)，是实用的双轮平衡车，己经能够实用化。该车利用倒立摆控制原理，使车体始终保持平衡。在车体内嵌入式CPU的控制下，采集平衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过建立的系统数学模型和控制算法，计算输出PWM信号，自动控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自动前进、后退及转弯。2005年，哈尔滨工程大学尹亮［33］也在博客上公布了自己制作的双轮移动机器人Segway，采用AD公司推出的双轴加速度传感器ADXL202来检测其车体倾斜角度，采用反射式红外线距离传感器测量距离，应用线性控制方法实现了机器人的平衡。另外，国立台湾科技大学、上海交通大学、西安电了科技大学、哈尔滨工业大学、北京邮电大学、北京航空航天大学、北京工业大学等很多学校也开始了对双轮自平衡机器人的研究，并且取得了一定的成果。与此同时，国内的很多机器人爱好者也纷纷对自平衡机器人进行了研究，并且也在网上公布了自己的研究成果，其中由两个清华大学毕业生组成的研究小组的研究取得了巨大的成果，他们研究的自平衡机器人chegwav己经达到第四代，并且与日江电器合作，准备投入量产。

（三）主要研究内容本课题本文主要利用模糊滑模变结构控制实现两轮自平衡机器人的直立行走，基于MATLAB中Simulink工具箱，实现对两轮自平衡机器人控制，并用于深圳固高公司生产的GBOT1001型［34］自平衡机器人研究其运动控制问题［35~42］。（四）进度安排2011年9月~2012年3（四）进度安排2011年9月~2012年3月开题报告。2012年4月~2012年6月2012年7月~2012年9月2012年10月~2012年11月时验证。2012年12月~2013年3月查阅国内外大量的相关文献、书籍、论文。并写研究现有的控制算法，并归类总结。结合实际中的控制器提出改进算法控制器。对提出的算法进行仿真实验，并作实验分析与实撰写论文，准备答辩。（五）可能遇到的困难和解决措施⑴对算法的计算过程可能会比较复杂，在提高系统动态品质的的过程中会遇到设计控制系统中相互矛盾的性能指标取舍的综合问题。（2） 仿真结果可能会和预想中的不一样，结果不一致。（3） 系统进行了仿真研究时，在系统存在外扰和参数摄动情况下，系统性能指标是否能满足设计要求。环境的改变会造成在理想状况下得到的机器人模型误差变得很大，将使得基于理想模型设计的常规控制器失效。解决措施：随着对本课题研究的深入，还会遇到更多更大的困难。在将来的学习中，我将带着这些问题和困难查阅各种资料，并向有经验的老师和实验室同学求教，争取早日解决，以更好的完成本课题的研究工作。（六）参考文献［1］ 王耀南.机器人智能控制工程［M］.北京：科学出版社，2004.1-4［2］ 李磊，叶涛，谭民，陈细军.移动机器人技术研究现状与未来.机器人.2002（7）.［3］ 徐国保，尹怡欣，周美娟.智能移动机器人技术现状及展望.机器人技术与应用，2007.［4］ 徐国华，谭民，移动机器人的发展现状及其趋势.机器人技术与应用.2001.［5］ 欧青立，何克忠.室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究.机器人.2000.［6］ 徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势.机器人技术与应用.2001［7］ 叶聪红，本质不稳定两轮小车辅助平衡控制，西安电子科技大学.2006.［8］ 孙泓.两轮自平衡小车的模糊滑模控制研究［D］.西安：西安电子科技大学（硕士学位论文）肖乐.两轮自平衡机器人建模及智能控制研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学（硕士学位论文），2011李炎昭.两轮不稳定小车灵敏度分析及控制算法比较研究[D].西安：西安电子科技大学（硕士学位论文），2010袁泽睿,两轮自平衡机器人控制算法的研究[D].哈尔滨工业大学硕士论文，2006.孙启兵，基于滑模策略的两轮机器人的平衡研究，北京工业大学，2010.7程刚.两轮自平衡小车的设计与大范围稳定控制的研究[D].西安：西安电子科技大学（硕士学位论文），2009.刘小河.自适应理论控制及应用[M].北京：科学出版社，2011.FelixGrasser,AldoDArrigo,SilvioColombi,AlfredC.Rufer.JOE:AMobile,InvertedPendulum.IEEETransactionsonIndustrialElectronics, vol.49,No.1,February2002GiuseppeOriolo,AlessandroDeLuca,MarilenaVendittelli.WMRControlViaDynamicFe