二级倒立摆平衡点间任意转换的运动控制方法研究
倒立摆是一种典型的非线性、欠驱动、多变量、强耦合的多刚体连杆结构机械装置,其驱动个数少于自由度,依赖于关节的耦合作用实现对非驱动关节的间接控制,控制难度很大,能直观反映出镇定、随动、鲁棒性等控制中的典型问题,是检验控制理论与控制方法的首选平台,被称为“控制领域的明珠”和“控制理论的试金石”。在现实生活中,双足步行机器人、欠驱动机械臂、两轮平衡车、火箭垂直度等控制问题都可以抽象为倒立摆加以研究,相关控制方法在军工、航天、机器人等领域有着广泛用途。
倒立摆的每根摆杆都有垂直向下(Down)和垂直向上(Up)两个平衡点,N级倒立摆有2N个平衡点,其中仅悬垂位置为自然平衡点,其余皆为需要控制才能保持平衡的临界平衡点。大多数研究集中在平衡点附近的稳定控制,以及从悬垂点到倒立点的摆起控制;对于摆杆平衡点之间大范围内的任意转换运动控制则鲜有涉及。