基于单目视觉的自平衡车编队行进控制设计与实现

作     者：谢彦昆 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李斌;赵新权

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：单目视觉 自平衡车 强耦合 编队行进 输入输出反馈线性 

摘      要：自平衡车作为轮式机器人的典型研究对象,一直以来,都受到控制工程领域研究人员的关注,它的不稳定性是检验控制器性能的标准也是设计控制器的难点。自平衡车相比稳定的小车具有较强的灵活性、占用空间小、功耗更低等特点。同时,由于人们生活及生产的复杂度在提高,越来越多的任务变得更复杂更艰巨,需要多机器人协作完成同一个复杂的任务。而研究多机器人编队行进是研究其相互协作相互配合完成任务的基础。与稳定小车编队系统相比,自平衡车编队系统因为其自身的不稳定性增加了编队系统的复杂性,因此目前鲜有关于自平衡车编队行进的研究。但是自平衡车编队系统既具有单个自平衡车的优点又具有更强的鲁棒性、柔性等特点。因此,本文从多机器人编队行进控制研究为引入点,以两辆自平衡车构成的多机器人编队系统作为研究对象,采用基于单目视觉的方法来实现自平衡车编队行进。本文在对自平衡车在国内外的发展现状及现有的多个稳定智能车的编队行进控制方式总结与归纳基础上,完成了单一自平衡车和自平衡车编队系统的建模工作。单一小车运动建模,采用基于Lagrange方程的方法,对单个两轮自平衡车进行运动分析并建立其数学模型。对该数学模型作线性化和解耦处理,克服两轮自平衡车数学模型的非线性、强耦合性和变参量多给研究带来的困难。且经过仿真验证处理后的数学模型符合两轮自平衡车的实际运行状态,该数学模型的建立为之后设计自平衡车的控制器提供理论依据。另一部分,通过对两辆小车的相对距离和相对角度的分析建立起微分方程,完成了对两辆自平衡车构成的编队系统的数学建模工作。同时,由于自平衡车处于动态平衡运动过程,对于摄像头获取信息产生波动性影响,因此建立其波动性模型并对该模型进行分析,为标识物设计和摄像头的安装提供一定的依据。在小车编队系统运动跟踪信息获取与处理方面,本文采用单目视觉的方法实现两辆自平衡车保持一定距离和相对角度编队行进。需要采集图像并处理,处理的方法过程中包含灰度图的转化、滤波、分割、图像阈值化等,对处理后的图像中标识物进行信息提取。利用摄像头小孔成像的原理实现单目视觉快速测距,并计算获得两车的距离和相对角度等跟踪小车需要的信息。在小车编队系统控制方面,本文针对自平衡车模型和编队模型的耦合性进行了分析和实验,实验证明两者的耦合性较弱,可视为两个互相独立的子系统。针对自平衡车自身的平衡控制本文分别采用PID控制和状态反馈控制的方式对它们进行仿真实验,结果表明两种控制方法均能达到很好的平衡控制效果。针对编队系统模型具有非线性,经分析本文采用输入输出反馈线性化的方法设计其控制器,在Simulink仿真实验结果表明该控制器能够实现自平衡车编队行进控制,证明了本文所采用的方案实现自平衡车编队行进具有可行性。同时,建立自平衡车编队系统的硬件平台,介绍总体的实验设计方案及系统的硬件环境的搭建和软件程序的编写与调试,实现了基于单目视觉的自平衡车直线型及三角型编队队形行进。