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控制力矩陀螺作用下的单辙两轮车自平衡仿真与验证
| 论文题名： | 控制力矩陀螺作用下的单辙两轮车自平衡仿真与验证 |
| 关键词： | 单辙两轮车;控制力矩陀螺;串级PD控制器;奇异回避算法 |
| 摘要： | 两轮车辆如摩托车以蒸汽动力自行车作为发展之路的起点，在长达一个半世纪的历程中，该类车辆已经发展得高度成熟。目前，其动力系统已逐渐由传统燃油动力向电力驱动方向发展，其驾驶模式正在从有人驾驶逐渐向无人驾驶方向迈进。针对此类车辆在静态及行驶过程中的自平衡稳定性问题，以控制力矩陀螺作用下的单辙两轮车为对象，对其进行自平衡理论控制分析，构建符合实际动力学规律的两轮车动力学模型，设计串级PD控制器并整定相关参数，通过两轮车的静动平衡仿真与相关试验进行算法验证，具体工作如下： （1）针对国内外控制力矩陀螺（CMG）在两轮车上的应用情况，进行单辙两轮车的自平衡工作原理及控制力矩陀螺的奇异饱和现象分析；将框架进动角度设置为（-90°，+90°），利用试验台架开展陀螺的力矩测量，以验证陀螺理论中转子转速下的力矩范围，并将CMG应用到自平衡两轮车中，在静态情况下，计算出车体侧倾时的横滚角度范围和受到外界干扰力的理论值。 （2）基于实车的结构、特性参数完成控制力矩陀螺及两轮车的三维模型的建立，同时完成两轮车动力学模型中约束、驱动、模型接口、轮胎和路面的建立；并对所建动力学模型的特性进行验证，从ADAMS中输出整车模型到SIMULINK中为后续联合仿真分析做准备；再对两轮车的整车控制系统进行稳定性分析。 （3）根据两轮车系统的不稳定性，通过极点配置法设计串级PD控制器改变系统的零极点，以实现系统的稳定；另外设计奇异回避算法以实现陀螺正常力矩的输出；同时设计重力前馈补偿以改善控制器的鲁棒性和稳定性，进而提高两轮车的自平衡稳定性；经过内外环的PD参数整定后，通过车体受到横向干扰100N进行仿真分析，完成对串级PD控制器的正确性验证，最后将重力前馈补偿算法与奇异回避算法与完整算法进行对比分析。 （4）以两轮车典型工况下的自平衡为目标，进行侧倾回正、抗横向干扰、抗偏置负载、跨壕沟以及越障碍仿真分析，通过观察车体横滚角度和框架进动角度的变化情况验证控制效果；在此基础上并设计典型实车试验，验证串级PD控制器等相关算法的可行性。 |
| 作者： | 郑宇 |
| 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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