基于动态模型的欠驱动独轮机器人转向控制方法

"Steering Control Method for an Under-actuated Unicycle Robot Based on Dynamic Model" 这篇研究论文探讨了基于动态模型的欠驱动独轮机器人转向控制方法。由作者Hongzhe Jin、Yang Zhang、Hui Zhang、Zhangxing Liu、Yubin Liu、Yanhe Zhu和Jie Zhao在哈尔滨工业大学的机器人与系统国家重点实验室完成。通讯作者为Hongzhe Jin、Yubin Liu和Yanhe Zhu。文章于2018年7月27日提交，10月17日修订，10月29日接受，并于11月18日发表，受Creative Commons Attribution License许可，允许无限制使用、分发和复制，只要原始作品得到适当引用。 本文提出了一种基于双陀螺仪进动效应的侧向平衡结构及其相关的欠驱动独轮机器人的转向控制策略。双陀螺仪对称地设计在独轮机器人的顶部，用于调整和稳定机器人的行驶姿态。独轮机器人是一种特殊的移动平台，只有一个车轮接触地面，其运动控制具有挑战性，因为它只有一对驱动轮（即该车轮）进行动力输入，而转向通常通过改变车身倾斜度来实现，这种控制方式被称为“欠驱动”。 双陀螺仪的设计利用了陀螺效应，陀螺效应是指一个旋转物体保持其旋转轴方向不变的特性。在这种情况下，双陀螺仪能够提供额外的稳定性和控制能力，帮助独轮机器人在行驶过程中保持平衡。控制策略可能包括实时计算陀螺仪的旋转速度和角度，以调整机器人的倾斜角度，从而控制其行驶方向和速度。 为了实现有效的控制，论文中可能涉及到以下几个关键知识点： 1. 动态模型：建立独轮机器人的动力学模型是控制设计的基础，模型通常包括车轮与地面的接触力、电机扭矩、陀螺仪的转动动力学等。 2. 欠驱动控制：由于系统的输入少于自由度，需要设计巧妙的控制算法，以利用有限的输入来实现对所有自由度的控制。 3. 负反馈控制：可能采用了负反馈控制策略，通过比较期望状态和实际状态之间的差异来调整控制输入，以减少这种差异。 4. 陀螺仪进动：理解陀螺仪如何通过进动来产生稳定力矩，以及如何利用这一物理现象来控制机器人的侧向平衡。 5. 实时控制：控制系统需要快速响应并适应环境变化，因此，控制算法需要在短时间内完成计算和决策。 通过这样的控制策略，论文旨在提高欠驱动独轮机器人的稳定性，增强其在复杂环境中的导航和操作能力，这对于未来智能机器人、服务机器人以及自动化运输等领域具有重要意义。