基于粒子群模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的立方體機(jī)器人建模*

陳 陽(yáng)，黃衛(wèi)華，何佳樂(lè)，章 政

(武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081)

0 引言

立方體機(jī)器人是一種具有全封閉或半封閉外殼的新型機(jī)器人[1]，它通過(guò)安裝在立方體內(nèi)部某個(gè)面的動(dòng)量輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生重心偏移，基于動(dòng)量守恒等原理實(shí)現(xiàn)立方體機(jī)器人以單點(diǎn)或者棱邊為支點(diǎn)的自平衡與翻滾等運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的輪式、腿式、履帶式等移動(dòng)機(jī)器人相比，立方體機(jī)器人具有獨(dú)特的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，是一種控制理論研究與應(yīng)用的理想平臺(tái)，在太空探索、編隊(duì)表演、橋梁修補(bǔ)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，立方體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大同小異[2-4]，相關(guān)研究工作主要集中于立方體機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。關(guān)于立方體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模的研究一般是基于凱恩方程[5-6]或拉格朗日方程[7]建立立方體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力矩與速度、角速度等運(yùn)動(dòng)量之間的關(guān)系。然后對(duì)所建立的立方體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，采用自抗擾控制[7]、PID控制[8]、模糊控制[9]及反饋線性化[10]等方法實(shí)現(xiàn)立方體機(jī)器人的自平衡穩(wěn)定控制。然而，立方體機(jī)器人是一種非線性、強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)及多變量的多自由度倒立擺系統(tǒng)，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特殊自平衡方式導(dǎo)致其機(jī)理模型存在動(dòng)態(tài)不確定性。

已有研究表明，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于處理非線性、模糊性等問(wèn)題[11]。目前對(duì)于立方體機(jī)器人建模的研究均采用機(jī)理建模方法，因此難以獲取立方體機(jī)器人精確的數(shù)學(xué)模型，從而影響了立方體機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能。……