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两轮摩托车自平衡及轨迹跟踪控制仿真研究
| 论文题名： | 两轮摩托车自平衡及轨迹跟踪控制仿真研究 |
| 关键词： | 两轮摩托车;自平衡;轨迹跟踪控制;仿真模型 |
| 摘要： | 两轮摩托车拥有强大机动性能，是军、民通用的运载工具之一。两轮摩托车和自行车一样属于两轮单车辙车辆，车体的横向动力学特性较汽车来说更为复杂，特别是两轮摩托车在静止和转向运动过程中，其平衡性能很差，容易倾倒，而能够实现自平衡的两轮摩托车更是目前主要研发攻关方向。 本论文针对两轮摩托车静态自平衡及抵抗外部扰动的控制较难克服，以及转向运动中车辆对速度敏感而增加的控制难度等问题，建立控制力矩陀螺和两轮摩托车动力学模型，分别设计了车辆静止和运动中的自平衡控制算法以及运动轨迹跟踪控制器，完成了MATLAB/Simulink仿真模型的搭建和对车辆自平衡算法的仿真试验验证，进一步开展了自平衡和轨迹跟踪控制的研究。具体工作内容如下： （1）分析控制力矩陀螺在两轮摩托车自平衡上的应用。针对作用于两轮摩托车上的控制力矩陀螺，从理论上分析了控制力矩陀螺力矩产生的过程以及控制力矩陀螺存在的不利于车辆平衡控制的奇异现象，采用了台架试验来验证控制力矩陀螺力矩产生原理的正确性，并分析了控制力矩陀螺的性能以满足车辆自平衡控制的需求。 （2）建立两轮摩托车横滚动力学模型。通过牛顿—欧拉法分析了传统两轮摩托车的受力情况，建立了包含控制力矩陀螺在内的两轮摩托车横滚动力学模型的数学微分方程，分析了车辆横滚角、转向角和轮速之间的关系以及对车辆自平衡的影响，发现车辆在一定轮速下才能通过转向实现自平衡，为后续自平衡算法设计奠定了基础。 （3）设计基于控制力矩陀螺的两轮摩托车自平衡算法。针对两轮摩托车在静止及低速几乎无法实现自平衡的问题，设计了基于控制力矩陀螺的自平衡控制算法，并针对控制力矩陀螺输出力矩为零所对应的奇异和饱和现象优化了算法。进一步设计了整车静态起摆自平衡和抵抗外部扰动的仿真试验，验证使车辆在不同初始横滚角度下自平衡且可以很好的抵抗外部干扰得控制算法的效果。 （4）基于转向设计两轮摩托车车身姿态稳定和轨迹跟踪控制算法。当考虑本车转向中稳定性和对车速的鲁棒性差的问题时，设计了基于转向的车身稳定算法，并仿真中验证了算法对车速的鲁棒性，保证车辆在转向运动中姿态的稳定性；随后进一步设计了两轮摩托车轨迹跟踪控制算法，仿真验证了两轮摩托车可以在保持自身姿态稳定的同时，实现跟踪直线和圆形轨迹的效果，进而实现两轮摩托车无人驾驶的自平衡控制。 |
| 作者： | 胡斌 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 陈宝 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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