球轮自平衡机器人动力学建模与非线性PD控制研究

本文主要探讨了"基于球轮的自平衡移动机器人的建模与控制研究"，由阮晓钢和刘桐两位作者在北京工业大学信息学部及计算智能与智能系统北京市重点实验室进行的研究工作。论文背景是针对当前自平衡机器人领域的研究进展，特别关注的是那些能够在地面全向移动且没有转弯半径的特殊设计。这种球轮式移动机器人因其独特的结构，使得它在移动过程中具有显著的优势。 在论文中，首先进行了简要的机械结构设计，着重考虑了球轮式机器人的运动特性和稳定性。作者利用拉格朗日力学原理，对机器人进行了完整的动力学建模，这是一种经典的方法，用于分析系统的运动状态和力的作用关系。这种方法对于理解机器人的动态行为至关重要，因为它能够揭示系统在各种输入下的行为模式。 为了实现机器人的平衡控制，论文提出了一种基于非线性模型的PD（比例-微分）控制方法。PD控制器是一种常用的控制策略，它结合了比例控制（确保输出与误差成比例）和微分控制（预测未来误差趋势）。将模型分解为三个独立的姿态平面进行控制，这种分解有助于提高控制精度和效率，使得机器人在复杂环境中也能保持稳定。 通过Matlab/Simulink软件进行仿真验证，结果显示，这种控制策略不仅能够有效地维持机器人的平衡，还展现出良好的响应特性和鲁棒性。响应特性指机器人对输入信号的快速反应能力，而鲁棒性则表示机器人在面对不确定性和干扰时仍能保持稳定性能的能力。 本文的研究成果对于自平衡机器人技术的发展具有重要价值，尤其是在无人自主导航、物流配送等领域有着潜在的应用前景。关键词如"机器人控制"、"动力学建模"和"非线性PD控制"突出了论文的核心内容，也表明了作者对相关领域深入研究的贡献。此外，文章还引用了国家自然科学基金项目和北京市自然科学基金项目的支持，显示了其研究的学术价值和资金支持。