ICPA-LQR优化的两轮平衡机器人自稳定与轨迹跟踪PID控制器设计

作者：黄鹤; 李文龙; 杨澜; 王会峰; 高涛; 陈婷

来源：哈尔滨工业大学学报, 2022, 1-12.

• 控制器设计
• 两轮平衡机器人
• 动力学建模
• 改进食肉植物算法
• 轨迹跟踪

针对现有两轮平衡机器人线性二次型调节器（LQR）的权重系数需要手动选取的缺陷,提出了一种利用改进的食肉植物算法（ICPA）优化LQR权重系数的方法,实现了两轮平衡机器人的自稳定与高精度轨迹跟踪。首先,利用拉格朗日方程法构建了两轮平衡机器人系统动力学方程,采用LQR优化PID控制的策略来保证其最优控制力;其次,在食肉植物算法成长过程中提出了一种自适应捕捉系数,平衡食肉植物和猎物二者的成长,提升了前期全局探索和后期局部寻优的能力;然后,在食肉植物算法繁殖过程中设计了干扰因子,扩大搜索空间,进一步提升了全局寻优能力;最后,基于特征结构赋值（EA）代价函数利用ICPA寻优LQR控制器的权重系数,并在MATLAB/Simulink环境中建立两轮平衡机器人控制策略模型。实验结果表明,相对于食肉植物算法、麻雀搜索算法、飞蛾扑火算法和改进粒子群算法优化的控制效果,提出的ICPA-LQR优化的PID控制器动态响应速度更快,抗干扰能力更强,整体性能更好。扰动情况下控制两轮平衡机器人跟踪复杂轨迹倾角动态偏差小于0.05 rad、横纵坐标的偏差均小于0.2 m、转向角偏差小于0.2 rad、车轮位置角偏差小于3 rad,可以在保持动态平衡的前提下精确跟踪给定的参考轨迹,具有较强的泛化能力。

• 单位
  长安大学