小型二自由度云台自抗扰控制算法设计

作     者：金向广 

作者单位：南昌大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡瑢华

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0835[工学-软件工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：移动机器人 二自由度云台 LuGre摩擦模型 自抗扰控制算法 

摘      要：本文以机甲大师竞赛（Robo Mater）中的步兵移动机器人为研究载体,设计整机的机械结构和控制系统,重点以机器人的二自由度云台为对象,针对其在大量随机干扰情况下控制精度低、抗干扰能力差的问题,设计出基于LuGre摩擦模型补偿的改进型自抗扰控制算法,有效提高了云台的控制性能。主要内容如下。根据比赛规则,规划了步兵移动机器人的合理方案,拟定了主要技术指标。在此基础上,完成了机器人的移动底盘和二自由度云台的机械结构设计,以及底盘移动、云台转动和姿态检测等电控的硬件和软件的设计,达到了预期技术要求。为了提高云台闭环控制算法的抗干扰性,以云台偏航旋转轴为例,建立了其数学模型;通过分析得出,摩擦力矩的变化是主要的干扰来源,为此,提出了一种基于LuGre摩擦模型补偿的方法,并在实物测试实验基础上,应用遗传算法辨识出LuGre摩擦模型的动静态参数,得到了云台摩擦力矩的合理数学模型。由于云台旋转运动具有非线性的特性,本文采用了二阶自抗扰控制算法,通过频域分析、仿真实验得到了算法中各参数的值及整定方法。同时,为提高状态观测器的精度,将云台的摩擦力矩模型作为控制算法的补偿项。仿真结果表明,补偿后的自抗扰控制算法性能优于PID和常规自抗扰控制算法。通过实物的阶跃响应和正弦跟踪实验,结果表明,提高了系统的响应速度和抗干扰能力,能够满足本文设定的云台控制性能要求。