数据驱动工控RTU技术双飞轮移动机器人非线性控制研究
导语：
两轮移动机器人是一种强耦合、欠驱动且复杂的非线性系统，其工作原理类似于行走的倒立摆系统。在控制理论和实际工程应用中，这种系统具有很高的学术价值。本文基于陀螺效应，针对单输入四阶非线性动力学系统进行了研究。
首先，对双飞轮移动机器人的自平衡原理进行了力学分析，将四阶非线性系统的状态变量嵌入到一个滑模面上，并采用李雅普诺夫第二法确定滑模控制律。通过一个控制量实现四个状态变量的控制。此外，本文还使用Matlab/Simulink搭建了控制仿真平台，对移动机器人的动力学模型进行了仿真。
双飞轮移动机器人的工作原理：
飞轮的陀螺效应如图1所示，当转动惯量为JZ2、JZ3的飞轮以角速度ω绕轴旋转时，由于陀螺效应，会产生沿轴正方向的陀螺力矩M=M2+MX3。M2表示前后两个偏转轴同步偏转且方向相反产生的地面与重心之间分力的矩，MX3表示前后两个偏转轴不同时发生偏转而导致地面的分力的矩。
设计：
本设计采用了双陀螺联动结构，如图3所示，以齿轮传动机构同步和反向调节两个偏转轴。对图3中前、后飞轮产生的地面与重心之间分力的矩进行正交分解，可得：
计算机仿真：
取初始条件为x=(π/6,0,0,0)，用s-function函数编写控制算法和动力学模型，并在s-function中用饱和函数代替切换函数参数取0.1。在Matlab/Simulink搭建仿真框图如图4所示。通过Simulink仿真得到倾斜角、倾斜角速度、飞轮偏转角及偏轉角速度时域响应曲线，如图5所示。
结论：
本文设计了一种滑模控制律，用来实现一个控制输入对双飞輪移動機器人倾斜角度、倾斜角速度、飛輪偏轉角及偏轉角速度同時進行調節，並通過MATLAB/SIMULINK對其動態響應進行驗證。此設計能夠使機械人在初始侧向位移30度的情况下快速恢复平衡状态，展示出较好的稳定性能和适应能力。这项研究对于深入理解并优化雙飛輪移動機器人的運作性能具有重要意义，为實際應用提供了一定的参考依据。
