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无人骑行自行车斜面运动的动力学建模与控制研究
| 论文题名： | 无人骑行自行车斜面运动的动力学建模与控制研究 |
| 关键词： | 无人骑行自行车;倾斜路面;运动学特性;稳定性;闭环自动控制 |
| 摘要： | 随着无人智能驾驶技术的发展，无人骑行自行车在运载货物、抢险救援等方面具有良好的应用前景，近年来成为国内外诸多学者的研究热点。自行车虽然结构简单，但是作为典型的非线性、强耦合的多刚体系统，蕴含着丰富的动力学行为。本文从动力学建模、控制器设计及仿真分析等方面开展了倾斜路面上无人骑行自行车的自稳定及控制研究。 以具有动量轮结构的自行车为研究对象。针对其在斜面的运动学特性，在自行车系统的五个刚体上分别建立了相应的坐标系，选取了描述自行车系统运动姿态的广义坐标。针对自行车与斜面接触时所受的非完整约束问题，推导了其在倾斜路面上运动时的一阶线性速度约束方程。 针对自行车无外界约束的情况，通过分析自行车中五个刚体的运动，依次建立了各刚体的拉格朗日函数。基于拉格朗日方法，建立了含拉格朗日乘子的自行车系统的非线性动力学方程。针对该动力学模型，基于泰勒级数在系统平衡点附近作近似线性化处理，得到了自行车系统的线性化动力学方程，并对该模型的稳定性和可控性进行了分析。 基于自行车系统四个参数之间的耦合关系，分别设计了自行车在倾斜路面上匀速直线运动时的串级PID控制器和模糊PID控制器。通过MATLAB/Simulink模块分别对两种控制器进行了建模仿真，分析了两种控制器对自行车斜面运动的控制效果。仿真结果表明，所设计的串级PID控制器以及模糊PID控制器均可以实现自行车在斜面上的匀速直线稳定运行。但是，模糊PID控制方式下自行车系统的超调量相较于串级PID控制方式有所减小，体现了模糊PID控制器较好的响应性能。 |
| 作者： | 刘根 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 徐楠;康建明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 山东建筑大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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