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单轨车辆线性建模的参数提取与自平衡控制
| 论文题名： | 单轨车辆线性建模的参数提取与自平衡控制 |
| 关键词： | 电动平衡单轨车辆;线性建模;参数提取;自平衡控制 |
| 摘要： | 随着科学技术的快速发展，小型的电动平衡单轨车辆有望成为人们出行环保、廉价、安全的交通工具，进而解决汽车时代带来的空气污染、道路和停车场拥挤等一系列的社会问题。在单轨车辆自平衡控制领域的研究中，绝大多数采用的方案是基于非线性动力学模型，使用机械飞轮等提供倾侧扭矩的设备来使车辆保持平衡。但是使用机械飞轮的方案不仅提高了车辆的功耗并且使其造价也大幅提高，不利于环保和产业化。 因此，本文提出一种新的单轨车辆自平衡控制的方法。并且由于已知文献中没有基于线性化的动力学模型在不使用机械飞轮的情况下利用线性二次型调节器（Linear Quadratic Regulator,LQR）进行自平衡控制的方案，所以在不使用机械飞轮的情况下基于建立的线性化的动力学模型，为单轨车设计一种LQR控制器来实现对单轨车的自平衡控制具有创新性。同时利用matlab对设计的LQR控制器进行了仿真，并且搭建了单轨车物理样机来验证控制器的有效性。理论和实验都表明，设计的LQR控制器对单轨车辆系统自平衡控制有效，并且不需要飞轮等提供倾侧扭矩的设备。本文的主要研究内容如下： （1）描述了单轨车的结构并且分析了单轨车的自由度。通过建立了广义的坐标来描述了单轨车的一些几何参数，然后分析了单轨车与地面接触的完整和非完整约束，建立了单轨车辆的约束方程，通过拉格朗日法对单轨车辆进行动力学建模，利用数学方法消去了约束方程和拉格朗日因子得到非线性的动力学方程并且对其进行了线性化。 （2）调研了常见的单轨车辆自平衡控制的方法的特性。根据单轨车建模的特性选择了LQR的控制方法为单轨设计控制器，通过数学推导为单轨车系统设计了LQR的控制器，并且对设计的控制器进行matlab仿真。 （3）根据建模的参量设计了单轨车三维的结构模型，完成了单轨车各个硬件模块的选型并设计了单轨车的硬件系统，设计了各硬件模块的软件程序和整体的软件程序。完成物理样机的设计和开发。 （4）基于设计的物理样机进行了单轨车控制的各个参数的提取，并且通过设计实验验证了提取出的参数的正确性为自平衡控制做好了基础。进行了单轨车的自平衡调试路测，通过慢速和快速两组自平衡控制实验，提取出了两组实验的参数，通过路测的观察和提取出的实验参数的分析对比得出控制方法的有效性。 |
| 作者： | 周全 |
| 专业： | 电子与通信工程 |
| 导师： | 项颖 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 广东工业大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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