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两轮自平衡电动车的运动平衡控制方法研究
| 论文题名： | 两轮自平衡电动车的运动平衡控制方法研究 |
| 关键词： | 两轮自平衡电动车;轮式移动机器人;姿态平衡;控制策略;轨迹跟踪 |
| 摘要： | 两轮自平衡电动车也称为两轮自平衡机器人，是一种欠驱动的轮式移动机器人，由于其具有结构紧凑、运动灵活、机动性高、易操作、无污染等诸多优点，在民用、工业和军事等领域内具有很好的发展前景;同时作为一种典型的欠驱动机械系统，两轮自平衡电动车具有固有的不稳定动力学特性，可以用来检验现有的各种控制理论和控制算法的实用性，具有十分重要的理论意义，其运动平衡控制问题是研究的核心问题。本文的主要内容是设计两轮自平衡电动车的控制策略，以实现在保持系统姿态平衡的同时，完成期望的运动跟踪任务。 首先，根据两轮自平衡电动车在平面二维坐标系中的运动位姿，建立系统的运动学模型;采用Newton-Euler公式和Euler-Lagrange公式两种建模方法建立系统的动力学模型，并对基于Euler-Lagrange法建立的模型中含有的非完整约束项进行处理，建立起改进的动力学模型，为控制器的设计奠定基础。 其次，针对两轮自平衡电动车这一典型的非完整、欠驱动机械系统，根据非线性系统的零动态原理和滑模变结构控制具有一定的鲁棒抗干扰性，设计了一种基于零动态虚拟控制与自适应滑模变结构相结合的控制策略，以完成其转向跟踪时的运动平衡控制问题。同时，针对不可避免的摩擦及模型不确定性，提出一种对带有未知非线性参数项的摩擦模型进行基于自适应估计的反馈补偿控制，提高了系统的抗干扰性。 再次，针对两轮自平衡电动车的欠驱动特性，提出了分层滑模变结构控制方法。将整个系统解耦成两个子系统:欠驱动的前向运动平衡子系统和全驱动的转向运动子系统，对两个子系统分别应用分层滑模控制器和滑模变结构控制器单独控制。 最后，提出一种位姿和力的协调控制的双闭环控制策略，以满足两轮自平衡电动车在保证内部动态稳定的同时，实现对任意期望轨迹的跟踪。对内环动力学，通过部分反馈线性化将欠驱动部分转化成系统的零动态，并对其采用虚拟控制，对全驱动部分采用直接自适应模糊控制方法;对外环的运动学模型采用Lyapunov直接法设计位姿控制器。通过双闭环控制系统位姿和力的协调控制，实现跟踪控制目标。 应用Lyapunov稳定性定理，从理论上证明系统在上述所提出的各种控制策略下的稳定性，并通过MATLAB/Simulink仿真实验验证分析各控制方法的有效性和系统的跟踪效果。 |
| 作者： | 魏星 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 岳明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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