两轮自动平衡机器人建模与控制：控制工程教育的教育平台

"Modeling and Control of a Two Wheeled Auto-Balancing Robot: a didactic platform for control engineering education" 本文详细探讨了双轮自动平衡机器人（Two-Wheeled Automatic Balancing Robot, TWABR）的建模、仪器配置以及控制策略，作为一个教育平台，用于教授控制工程的基础知识。该研究由Fabián R. Jiménez L., MSc., Ilber A. Ruge R., MSc., 和 Andrés F. Jiménez L., PhD共同完成，并在2020年的第18届LACCEI国际多学科会议中发表，主题涉及工程、教育和技术对可持续发展的贡献。 双轮自动平衡机器人是一种具有两个独立驱动轮的机械电子系统，其设计目标是在车轮旋转轴上方的重力中心保持平衡。这种机器人的动态特性使得它成为解释稳定性、非线性动力学和控制理论的理想教学工具。在建模过程中，研究人员通常会采用牛顿-欧拉方程来分析机器人的运动，同时考虑地球引力、轮子的旋转动力学以及电机的动力输出。 在仪器配置方面，机器人通常配备有各种传感器，如陀螺仪和加速度计，用于实时检测机器人的倾斜角度和速度，这些信息对于维持平衡至关重要。此外，编码器用于监测轮子的转速，而微控制器则负责处理传感器数据并生成适当的控制信号，以调整电机的扭矩。 控制策略部分，由于系统的非线性特性，通常采用倒立摆控制理论。PID（比例-积分-微分）控制器是常见的选择，它可以有效地调整电机的转速以纠正任何偏离平衡位置的偏差。然而，为了处理非线性问题，可能还需要引入滑模控制或者自适应控制等高级控制方法，以确保在不同条件下的稳定性和性能。 此外，该论文还强调了将这样的实际项目融入工程教育的重要性，因为它能帮助学生将理论知识与实际应用相结合，增强他们的问题解决能力和实践经验。通过设计、构建和调试这样的机器人，学生可以深入理解控制系统的设计原则，以及如何在现实世界中解决复杂的工程挑战。 这篇论文详细阐述了双轮自动平衡机器人作为控制工程教学工具的各个方面，包括其建模、仪器配置和控制策略，为教育工作者和学生提供了一个宝贵的实践平台，以增进对控制理论和非线性动力学的理解。