two-wheels balancing robot controller using LQR method

资 源 简 介

two-wheels balancing robot controller using LQR method

详 情 说 明

平衡机器人控制中的LQR方法应用

两轮自平衡机器人是一个典型的倒立摆控制系统，其核心挑战在于通过车轮的主动运动来维持机身直立。LQR（线性二次调节器）作为最优控制方法，能够有效解决这类多变量系统的稳定问题。系统需要同时控制三个关键角度：机身倾斜角（决定平衡状态）、车轮转动角（提供驱动力）和水平转向角（维持行进方向）。

LQR通过状态空间模型构建控制器，其核心在于设计代价函数中的Q矩阵（状态权重）和R矩阵（输入权重）。Q值的选择直接影响控制效果：增大机身倾斜角权重会强化抗干扰能力，但可能导致车轮剧烈抖动；提高车轮转角权重则能平滑运动，但可能降低平衡响应速度。通过调整Q矩阵对角元素的比例关系，可以找到使系统快速收敛且能耗均衡的反馈增益K。

实际调参时建议采用分层优化策略：先确定机身平衡的Q主导参数保证稳定性，再微调车轮相关参数优化动态性能，最后调整转向权重实现轨迹跟踪。这种基于物理意义的参数整定方法比数学优化更易获得可行解。值得注意的是，LQR的线性特性要求工作点附近的小角度假设，大角度失控时可结合切换控制策略增强鲁棒性。