RobustandIntelligentControlofaTypicalUnderactuatedRobot（典型欠驱动机器人的鲁棒智能控制）
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作者黄剑,张梦诗,福田敏男
出版社华中科技大学
ISBN9787577200248
出版时间2023-11
装帧其他
开本其他
定价98元
货号31893112
上书时间2024-06-12
商品详情
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作者简介
1993—1997年，华中理工大学，自动控制专业，获学士学位；1997—2000年，华中科技大学，控制理论与控制工程专业，获硕士学位；2000—2005年，华中科技大学，控制科学与工程，获博士学位；2006—2008年，日本名古屋大学，微纳米系统工程福田研究室，博士后；2008—至今，华中科技大学自动化学院工作获得：教育部提名国家科学技术奖自然科学奖一等奖
目录
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 An Overview of MWIP Robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Control Methods of the MWIP System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Outline of Book . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Modeling of Mobile Wheeled Inverted Pendulums . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Two-Dimensional Dynamic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3 Three-Dimensional Dynamic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 Dynamic Model with Uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.5 Physical Design of the MWIP Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.1 Sensing System of the MWIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.2 Servo Motor Control System of the MWIP . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 Disturbance Observer-Based Sliding Mode Control for Mobile
Wheeled Inverted Pendulum Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 First-Order Disturbance Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 Second-Order Disturbance Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.4 High-Order Disturbance Observer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 High-Order Disturbance Observer-Based Sliding Mode
Control for Mobile Wheeled Inverted Pendulum Systems . . . . . . . . . 41
3.6 Simulation Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6.1 Disturbance Observers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6.2 High-Order Disturbance Observer-Based Sliding
Mode Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4 Sliding Mode Variable Structure-Based Chattering Avoidance
Control for Mobile Wheeled Inverted Pendulums . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Adaptive Super-Twisting Control for Mobile Wheeled
Inverted Pendulum Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Terminal Sliding Mode Control for Mobile Wheeled Inverted
Pendulum Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 TSMC Controller Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.2 Analysis of Velocity Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.4 Simulation Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.1 Adaptive Super-Twisting Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.4.2 Terminal Sliding Mode Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5 Interval Type-2 Fuzzy Logic Control of Mobile Wheeled
Inverted Pendulums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.2 Interval Type-2 Fuzzy Logic Modeling and Control
of a Mobile Two-Wheeled Inverted Pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.3 IT2 FLSs for Controlling the Balance, Position, and Direction
of the MWIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.1 Balance Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.3.2 Position and Direction Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5.4 Simulation Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.5 Discussions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.5.1 Robustness of the IT2 FLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.5.2 Stability of the IT2 FLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6 Experiments of Controlling Real Mobile Wheeled Inverted
Pendulums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.2 Experimental Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.1 Experimental Results of High-Order Disturbance
Observer-Based Sliding Mode Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
6.2.2 Experimental Results of Adaptive Super-Twisting
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.2.3 Experimental Results of Interval Type-2 Fuzzy Logic
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
内容摘要
本书介绍了作者的团队近年来在研究一种特殊的欠驱动系统称为移动轮式倒立摆（MWIP）方面的成就。本书理论和实践的结合，几乎所有的算法都在真实的MWIP系统上得以验证。本文以动态建模、控制和仿真为主线，首先介绍了MWIP系统的特殊性、控制挑战和应用。然后，采用拉格朗日函数对二维和三维MWIP系统进行动力学建模，设计了一种新的高阶扰动观测器，并提出了一种将高阶扰动观测器与一种新的滑模流形设计相结合的控制策略。此外，详细提出了克服传统滑模控制颤振问题的几种方法。最后，对欠驱动机器人的未来发展进行了展望。
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