Control of Single Wheel Robots pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Springer Berlin Heidelberg

作者:Yangsheng Xu

出品人:

页数:212

译者:

出版时间:2009-11-23

价格:USD 129.00

装帧:Paperback

isbn号码:9783642066399

丛书系列:

图书标签:

机器人学
单轮机器人
控制系统
运动规划
平衡控制
非线性控制
嵌入式系统
机器人动力学
传感器融合
自主导航

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具体描述

《精密操控：理解与驾驭单轮机器人》本书深入探讨了单轮机器人领域的前沿技术与核心原理，旨在为工程师、研究人员及爱好者提供一套全面而深入的操控指南。我们将从最基础的物理模型出发，逐步揭示单轮机器人独特的动力学特性，包括其固有的不稳定性、强大的机动性和复杂的控制需求。第一部分：基础理论与建模单轮机器人动力学基础：我们将详细解析单轮机器人的受力分析，重点阐述重力、摩擦力、驱动力以及陀螺效应如何共同作用，塑造其动态行为。利用拉格朗日方程或牛顿-欧拉方法，建立精确的运动学和动力学模型，为后续控制设计奠定坚实的基础。模型简化与假设：探讨在不同应用场景下，如何对复杂模型进行合理简化，以降低计算复杂度，并分析不同简化假设对控制性能的影响。状态估计：介绍实现有效控制所必需的状态变量（如角度、角速度、线速度等）的估计方法。包括卡尔曼滤波（Kalman Filter）及其变种，如扩展卡尔曼滤波（EKF）和无迹卡尔曼滤波（UKF），以及惯性测量单元（IMU）数据融合技术。第二部分：核心控制策略平衡控制：平衡是单轮机器人最为关键的控制任务。我们将详细讲解基于PID（比例-积分-微分）控制器的经典平衡算法，分析其参数整定方法以及在不同工况下的优缺点。线性与非线性控制：引入更高级的控制理论，如李雅普诺夫稳定性理论（Lyapunov Stability Theory）在非线性系统中的应用，以及基于模型预测控制（MPC）的鲁棒性控制方法，探讨如何实现更优的动态响应和外部干扰下的稳定性。鲁棒性与自适应控制：针对模型不确定性、传感器噪声和外部扰动等实际问题，研究鲁棒控制（Robust Control）的设计方法，例如H-infinity控制。同时，介绍自适应控制（Adaptive Control）技术，使机器人能够根据环境变化自动调整控制参数，提升系统的适应性。轨迹跟踪与运动规划：在实现平衡的基础上，本书将重点关注如何使单轮机器人精确地执行预设轨迹。我们将探讨各种轨迹规划方法，如样条插值、多项式曲线生成等，并结合前馈-反馈控制策略，实现平滑高效的运动。路径跟随：针对更复杂的导航任务，深入研究路径跟随算法，包括纯追踪（Pure Pursuit）、Stanley控制器等，以及如何将其应用于非完整性约束的单轮机器人。第三部分：高级应用与进阶主题多机器人协同：探讨当多个单轮机器人进行协同工作时的挑战与解决方案，包括通信协议、分布式控制以及任务分配策略。人工智能与机器学习在控制中的应用：引入强化学习（Reinforcement Learning）等机器学习方法，用于训练机器人在复杂环境下自主学习最优控制策略，实现更高级别的智能行为。传感器融合与感知：讨论如何融合多种传感器信息（如摄像头、激光雷达、超声波传感器等），提升机器人的环境感知能力，从而实现更智能的避障与导航。人机交互与遥操作：研究如何设计直观的人机交互界面，使操作者能够高效地控制单轮机器人，包括手势识别、语音指令等。第四部分：实践与案例分析硬件平台选择与搭建：提供关于选择合适的电机、传感器、控制器以及开发板的建议，并指导读者如何进行硬件集成与初步测试。软件开发环境与工具链：介绍常用的机器人操作系统（ROS）等开发框架，以及仿真工具（如Gazebo）的使用，加速开发与调试过程。实际应用案例：通过分析不同领域（如仓储物流、无人巡检、娱乐机器人等）的单轮机器人应用案例，展示理论知识在实际问题中的应用，并深入剖析成功与失败的经验。本书的编写力求严谨且易于理解，每个章节都配有清晰的图示和详实的数学推导。通过本书的学习，读者将能够深刻理解单轮机器人的控制精髓，并具备独立设计、实现和优化单轮机器人控制系统的能力。