碩士開題報告參考范文

碩士開題報告參考范文：模糊滑模控制在兩輪自平衡機器人的應用研究（一） 課題來源、研究目的及意義課題來源：研究目的及意義：機器人從發(fā)明到它作為一個學科被建立起來，機器人技術不斷完善和發(fā)展，它是人類科學技術進步的最偉大成就之一，機器人從在地面上爬行發(fā)展到用兩腿直立行走，僅用了二十年的時間，而人類這一進化過程則歷經(jīng)了數(shù)百萬年，機器人技術和工業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展［1］。兩輪自平衡小車是移動機器人研究中的一個重要領域。移動機器人技術隨著計算機技術、軟件技術、微電子技術、材料技術等相關領域的進步而發(fā)展，同航天技術一樣，機器人的發(fā)展水平甚至代表了一個國家的綜合科技實力平［2］。兩輪自平衡機器人是一個集環(huán)境感知，動態(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)［3］，是動力學理論和自動控制理論與技術相結合的研究課題，其關鍵是解決在完成自身平衡的同時，還能夠適應各種環(huán)境下的控制任務。利用外加的紅外傳感器、速度傳感器、傾角傳感器、防碰撞開關等，來實現(xiàn)小車的自主壁障、跟蹤、路徑規(guī)劃［4~6］等復雜功能。同時，兩輪自平衡小車還是一個不穩(wěn)定機器人動力學系統(tǒng)，其動力學方程是一多變量、強耦合、時變的非線性高階方程，加上運動學方程中的非完整約束，要求完成的任務也具有多重性。因此，兩輪自平衡小車是一個具體的實現(xiàn)起來相對簡單的復雜系統(tǒng)，是檢驗各種控制方法處理能力的典型裝置，受到世界各國科學家的重視。在此實驗系統(tǒng)上可以運用多種方法進行控制［7~13］，比如變結構控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制、智能控制、自適應控制［14］等，并對各種控制方法提出了挑戰(zhàn)，且物理意義明顯，觀察方便，系統(tǒng)具備復雜系統(tǒng)的特點但其本身又不很復雜，價格低廉，占地面積小，是很有潛力的實驗工具。其次建立在自平衡基礎之上的兩輪小車的其他性能，例如復雜環(huán)境下的導航、拐角的轉彎等問題也極有可能解決在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活中的許多問題。（二） 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析兩輪自平衡機器人面世以后，迅速吸引了世界各國機器人研究者的興趣［15~20］,1995年美國著名發(fā)明家迪安卡門開始研制Segway，直到2001年12月，這項高度保密的新發(fā)明才公布出來，2003年3月正式在美國市場上市。Segway獨特的動態(tài)穩(wěn)定技術與人體的平衡能力相近，五個固態(tài)陀螺儀、傾斜傳感器、高速微處理器和電動機每秒100次檢測車體姿態(tài)，測出駕駛者的重心，瞬間完成計算，以每秒20000次的頻率進行細微調(diào)整，不管什么狀態(tài)和地形都能自動保持平衡。目前，Segway共擁有三個主要產(chǎn)品系列HT,XT與GT，但其中最早登場的SegwayHT又依照需求差異，還更細分為多種尺碼、輸出與用途不同的系列。2002年，瑞士聯(lián)邦工業(yè)大學的FelixGrasser等［21］研制出可遙控的兩輪自平衡機器人Joe，其最大運動速度可以達到1.5m/s，超過了人的行走速度。由于兩輪平行布置，每輪各裝有一個直流電機驅動，Joe能穩(wěn)定地做U型回轉。采用解耦狀態(tài)空間控制器來使系統(tǒng)保持平衡，設計者認為自適應模糊控制可以使Joe的抗干擾能力提高，控制品質(zhì)上升。同年，瑞士聯(lián)邦工學院的AldoD'arrigo等人也研究了類似于Segway的一種無線控制的雙輪移動機器人，該機器人高65cm、重約12kg，最大速度可以達到1.5m/s,可以30度爬坡。機器人雙輪同軸布置，分別有獨立的電機驅動。機器人通過傾斜傳感器和傾角傳感器來檢測機器人的本體的傾斜角度和機器人的傾斜角速度，每個電機上各有一個編碼盤來檢測電機的速度，并由此來獲得機器人的加速度和慣性力。采用了極點配置［22~25］和狀態(tài)反饋線性控制［26,27］方法，能實現(xiàn)平衡，不過不能在自己倒地狀態(tài)恢復到直立。2003年美國SouthernMethodistUniversity的DavidP.Anderson獨立設計的雙輪移動機器人nBot，被評為NASA's"CoolRobotoftheWeek"。該機器人體積較大，結構復雜。其主要設計思想是：驅動輪子朝機器人上部分傾斜的方向前進，并使之保持在重心位置之下，機器人可以保持平衡。機器人采用兩種傳感器用于反饋控制，傾角傳感器來測量重心的傾斜程度，每個輪子上各安裝有編碼計來獲得機器人的位置信息。該機器人采用了模糊控制［28~32］方法，能夠實現(xiàn)平衡，不過不能在自己倒地狀態(tài)恢復到自立國內(nèi)對于雙輪自平衡機器人的研究起步比較晚。2002年10月，臺灣經(jīng)濟部門工業(yè)局大量收集了Segway的相關資料，提供給國內(nèi)廠商參考，并鼓勵廠商利用政府科研的專項基金開發(fā)類似的產(chǎn)品。臺灣國立中央大學電機工程研究所研制了兩輪自平衡機器人，該機器人由個人電腦通過無線通信取得陀螺儀和編碼器的訊號，經(jīng)過模糊控制等控制算法處理之后，發(fā)送相對應的控制信號給FPGA，由FPGA送出相應的脈沖信號來控制機器人做前進、后退等動作。連續(xù)五年的改進之后，機器人能夠完成了各種各樣的動作，不過還是沒有實現(xiàn)直立。同年，河南科技大學機電工程學院聯(lián)合洛陽北方企業(yè)集團有限公司對該項目進行了攻關和開發(fā)研究。2003年7月制作出了第一臺樣機。它由高性能微處理器、姿態(tài)傳感器、智能軟件等組成控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對小車的行走平衡控制。隨后進行的行走平衡控制試驗驗證了控制系統(tǒng)、控制策略設計的合理性和有效性。該項目在雙輪行走平衡控制技術方面處于國內(nèi)領先水平。2003年中國科學技術大學自動化系和力學系多位教授、博導、博士、碩士研究生和本科生聯(lián)合研制完成自平衡電動代步車(FreeMover)，是實用的雙輪平衡車，己經(jīng)能夠實用化。該車利用倒立擺控制原理，使車體始終保持平衡。在車體內(nèi)嵌入式CPU的控制下，采集平衡傳感器以及速度、加速度傳感器的數(shù)據(jù)，通過建立的系統(tǒng)數(shù)學模型和控制算法，計算輸出PWM信號，自動控制兩個伺服電機的轉矩，使車體保持平衡并能夠根據(jù)人體重心的偏移，自動前進、后退及轉彎。2005年，哈爾濱工程大學尹亮［33］也在博客上公布了自己制作的雙輪移動機器人Segway，采用AD公司推出的雙軸加速度傳感器ADXL202來檢測其車體傾斜角度，采用反射式紅外線距離傳感器測量距離，應用線性控制方法實現(xiàn)了機器人的平衡。另外，國立臺灣科技大學、上海交通大學、西安電了科技大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京郵電大學、北京航空航天大學、北京工業(yè)大學等很多學校也開始了對雙輪自平衡機器人的研究，并且取得了一定的成果。與此同時，國內(nèi)的很多機器人愛好者也紛紛對自平衡機器人進行了研究，并且也在網(wǎng)上公布了自己的研究成果，其中由兩個清華大學畢業(yè)生組成的研究小組的研究取得了巨大的成果，他們研究的自平衡機器人chegwav己經(jīng)達到第四代，并且與日江電器合作，準備投入量產(chǎn)。

（三）主要研究內(nèi)容本課題本文主要利用模糊滑模變結構控制實現(xiàn)兩輪自平衡機器人的直立行走，基于MATLAB中Simulink工具箱，實現(xiàn)對兩輪自平衡機器人控制，并用于深圳固高公司生產(chǎn)的GBOT1001型［34］自平衡機器人研究其運動控制問題［35~42］。（四）進度安排2011年9月~2012年3（四）進度安排2011年9月~2012年3月開題報告。2012年4月~2012年6月2012年7月~2012年9月2012年10月~2012年11月時驗證。2012年12月~2013年3月查閱國內(nèi)外大量的相關文獻、書籍、論文。并寫研究現(xiàn)有的控制算法，并歸類總結。結合實際中的控制器提出改進算法控制器。對提出的算法進行仿真實驗，并作實驗分析與實撰寫論文，準備答辯。（五）可能遇到的困難和解決措施⑴對算法的計算過程可能會比較復雜，在提高系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的的過程中會遇到設計控制系統(tǒng)中相互矛盾的性能指標取舍的綜合問題。（2） 仿真結果可能會和預想中的不一樣，結果不一致。（3） 系統(tǒng)進行了仿真研究時，在系統(tǒng)存在外擾和參數(shù)攝動情況下，系統(tǒng)性能指標是否能滿足設計要求。環(huán)境的改變會造成在理想狀況下得到的機器人模型誤差變得很大，將使得基于理想模型設計的常規(guī)控制器失效。解決措施：隨著對本課題研究的深入，還會遇到更多更大的困難。在將來的學習中，我將帶著這些問題和困難查閱各種資料，并向有經(jīng)驗的老師和實驗室同學求教，爭取早日解決，以更好的完成本課題的研究工作。（六）參考文獻［1］ 王耀南.機器人智能控制工程［M］.北京：科學出版社，2004.1-4［2］ 李磊，葉濤，譚民，陳細軍.移動機器人技術研究現(xiàn)狀與未來.機器人.2002（7）.［3］ 徐國保，尹怡欣，周美娟.智能移動機器人技術現(xiàn)狀及展望.機器人技術與應用，2007.［4］ 徐國華，譚民，移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢.機器人技術與應用.2001.［5］ 歐青立，何克忠.室外智能移動機器人的發(fā)展及其關鍵技術研究.機器人.2000.［6］ 徐國華，譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢.機器人技術與應用.2001［7］ 葉聰紅，本質(zhì)不穩(wěn)定兩輪小車輔助平衡控制，西安電子科技大學.2006.［8］ 孫泓.兩輪自平衡小車的模糊滑模控制研究［D］.西安：西安電子科技大學（碩士學位論文）肖樂.兩輪自平衡機器人建模及智能控制研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學（碩士學位論文），2011李炎昭.兩輪不穩(wěn)定小車靈敏度分析及控制算法比較研究[D].西安：西安電子科技大學（碩士學位論文），2010袁澤睿,兩輪自平衡機器人控制算法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學碩士論文，2006.孫啟兵，基于滑模策略的兩輪機器人的平衡研究，北京工業(yè)大學，2010.7程剛.兩輪自平衡小車的設計與大范圍穩(wěn)定控制的研究[D].西安：西安電子科技大學（碩士學位論文），2009.劉小河.自適應理論控制及應用[M].北京：科學出版社，2011.FelixGrasser,AldoDArrigo,SilvioColombi,AlfredC.Rufer.JOE:AMobile,InvertedPendulum.IEEETransactionsonIndustrialElectronics, vol.49,No.1,February2002GiuseppeOriolo,AlessandroDeLuca,MarilenaVendittelli.WMRControlViaDynamicFe