两轮自平衡机器人虚拟仿真实验
【面向专业】
电气工程及其自动化专业、自动化专业
【所属课程】
工业机器人工程应用虚拟仿真教程
【实验目标】
机器人通常带有复杂的控制系统，以往在设计一个机器人系统时，机械设计师和控制系统设计师从一个相同的原始概念出发，用不同的软件工具来分别设计。当设计完各自的系统之后才能进行样机试验，如果出现了问题，必须从头修改各自的设计。利用ADAMS/Controls共用同一个模型，并从同一个数据库校验一个加上控制系统的复杂的非线性机器人模型的综合效果，这样一来，物理的检验过程被大大地简化了。
两轮自平衡机器人主要由两部分组成：车轮和车体。机器人具有3个自由度。机器人本体能够绕.png)
轴旋转（倾斜运动），.png)
与.png)
表示该运动的角度和角速度，控制该运动可以调整机器人直立和倾斜的状态。机器人底盘能够作线形运动，其位移和速度由.png)
和.png)
表示，通过控制该运动的加速度，可以使机器人在自由移动时保持平衡。此外，机器人本体能够绕.png)
轴转动，其转动的角度和角速度由.png)
和.png)
表示，该运动与机器人的线形移动相合成可以使机器人作刚体的平面运动。.png)
、.png)
、.png)
、.png)
、.png)
和.png)
作为六个状态变量恰好完全描述了机器人的三自由度系统的动态特性。图为桌面机器人实体和在solidworks软件下和adams软件下的仿真模型还原体。
图 两轮SmallRot机器人
图 solidworks环境下机器人的三维建型
【教学流程及学习效果】
联合仿真模型的建立需要以下三个步骤：首先，建立机械系统模型，机械模型可以用ADAMS的建模工具直接建模，也可以输入己经建好的外部模型，所建立的模型如图所示：
图 机器人虚拟模型图
ADAMS环境下机器人的三维模型
其次，确定ADAMS的输入和输出变量，通过确定ADAMS的输入和输出变量可以在ADAMS和控制软件之间形成闭环回路。通过建立新的状态变量：输入变量为两车轮的力矩；输出变量为机器人的速度，位移，倾角，倾角速度，偏航角，偏航角速度等六个状态变量，从而建立该控制系统模型，当然控制系统建模可以使用控制软件MATLAB、EASYS或者MATRIX建立控制系统模型，并将其与被控机器人机械系统模型连接起来。
控制算法仿真实现与实验结果分析
根据模糊控制器的特点，将其引入PID控制器，利用模糊控制在线规则对PID参数进行修。使得控制方法具有一定的智能性，就可以构成模糊PID控制器。其控制框图所示
图 模糊PID控制原理框图
图 偏角跟踪曲线
图 机器人的偏角仿真曲线
图 机器人的倾角仿真曲线
通过仿真联合实验表明了控制方法的可行性以及模型的正确性，相比于传统的仿真实验，ADAMS与MATLAB的联合仿真实验更加直观，更具有优越性。