兩輪自平衡電動車的運動平衡控制方法研究.pdf

1、兩輪自平衡電動車也稱為兩輪自平衡機器人，是一種欠驅(qū)動的輪式移動機器人，由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活、機動性高、易操作、無污染等諸多優(yōu)點，在民用、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域內(nèi)具有很好的發(fā)展前景;同時作為一種典型的欠驅(qū)動機械系統(tǒng)，兩輪自平衡電動車具有固有的不穩(wěn)定動力學(xué)特性，可以用來檢驗現(xiàn)有的各種控制理論和控制算法的實用性，具有十分重要的理論意義，其運動平衡控制問題是研究的核心問題。本文的主要內(nèi)容是設(shè)計兩輪自平衡電動車的控制策略，以實現(xiàn)在保持系統(tǒng)姿態(tài)平

2、衡的同時，完成期望的運動跟蹤任務(wù)。
　　首先，根據(jù)兩輪自平衡電動車在平面二維坐標(biāo)系中的運動位姿，建立系統(tǒng)的運動學(xué)模型;采用Newton-Euler公式和Euler-Lagrange公式兩種建模方法建立系統(tǒng)的動力學(xué)模型，并對基于Euler-Lagrange法建立的模型中含有的非完整約束項進行處理，建立起改進的動力學(xué)模型，為控制器的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
　　其次，針對兩輪自平衡電動車這一典型的非完整、欠驅(qū)動機械系統(tǒng)，根據(jù)非線性系統(tǒng)的零

3、動態(tài)原理和滑模變結(jié)構(gòu)控制具有一定的魯棒抗干擾性，設(shè)計了一種基于零動態(tài)虛擬控制與自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)相結(jié)合的控制策略，以完成其轉(zhuǎn)向跟蹤時的運動平衡控制問題。同時，針對不可避免的摩擦及模型不確定性，提出一種對帶有未知非線性參數(shù)項的摩擦模型進行基于自適應(yīng)估計的反饋補償控制，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
　　再次，針對兩輪自平衡電動車的欠驅(qū)動特性，提出了分層滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。將整個系統(tǒng)解耦成兩個子系統(tǒng):欠驅(qū)動的前向運動平衡子系統(tǒng)和全驅(qū)動的轉(zhuǎn)向運動

4、子系統(tǒng)，對兩個子系統(tǒng)分別應(yīng)用分層滑?？刂破骱突Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制器單獨控制。
　　最后，提出一種位姿和力的協(xié)調(diào)控制的雙閉環(huán)控制策略，以滿足兩輪自平衡電動車在保證內(nèi)部動態(tài)穩(wěn)定的同時，實現(xiàn)對任意期望軌跡的跟蹤。對內(nèi)環(huán)動力學(xué)，通過部分反饋線性化將欠驅(qū)動部分轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的零動態(tài)，并對其采用虛擬控制，對全驅(qū)動部分采用直接自適應(yīng)模糊控制方法;對外環(huán)的運動學(xué)模型采用Lyapunov直接法設(shè)計位姿控制器。通過雙閉環(huán)控制系統(tǒng)位姿和力的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)跟蹤控制