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独轮自平衡代步车控制系统的设计与实现
| 论文题名： | 独轮自平衡代步车控制系统的设计与实现 |
| 关键词： | 独轮车;动态自平衡控制;姿态解算;轮毂电机 |
| 摘要： | 为了解决城市的空气污染与交通拥堵情况，绿色节能的新型交通工具被越来越多的人关注和接受。本文以新型城市短途代步工具—独轮自平衡代步车为研究对象，分析和讨论了独轮自平衡代步车的动力学模型，姿态解算，动态自平衡控制算法，轮毂电机的转矩控制策略以及硬件电路设计与软件实现。 独轮自平衡代步车的物理模型类似于可移动一阶倒立摆。本文采用拉格朗日法对独轮自平衡代步车进行动力学建模，研究其特性。根据独轮车的实际运行情况，在平衡点附近对独轮车的动力学模型进行线性化处理，得出了独轮车的状态空间方程，对系统的稳定性、可控性及动力学特性进行了分析。针对独轮车实际需求，结合独轮车的动力学特性，本文提出了基于俯仰角速度控制的双闭环动态平衡控制算法。俯仰角速度控制是控制器内环，根据模型特点和实际需求，设计了 MAMDANI型模糊PI调节器。姿态控制是控制器外环，为了保证系统的稳定性，设计了纯比例控制器。在MATLAB/SIMULINK仿真环境下，搭建了独轮车仿真平台，验证了控制算法的可行性。 为实现更好的控制效果，独轮车控制系统需要准确的姿态信息和稳定的转矩输出。本文采用陀螺仪和加速度计的双传感器姿态检测方案，通过一阶卡尔曼滤波器对角速度和重力加速度进行数据融合，获得准确的姿态信息。轮毂电机传统的控制方法是六步换相算法，但该算法引入了较大的转矩脉动和噪音，本文根据轮毂电机反电动势接近正弦波的特点，设计了高速采用基于电机转速的磁场定向控制，低速采用离散空间矢量控制，取得了较好的控制效果。最后，本文搭建了独轮自平衡代步车的物理实验平台，完成了实验平台的软硬件设计，验证了本文提出的控制算法。 |
| 作者： | 宋楠楠 |
| 专业： | 控制理论与控制工程 |
| 导师： | 赵金 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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