兩輪自平衡電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)平衡控制方法研究.pdf

1、兩輪自平衡電動(dòng)車也稱為兩輪自平衡機(jī)器人，是一種欠驅(qū)動(dòng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人，由于其具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活、機(jī)動(dòng)性高、易操作、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，在民用、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域內(nèi)具有很好的發(fā)展前景;同時(shí)作為一種典型的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，兩輪自平衡電動(dòng)車具有固有的不穩(wěn)定動(dòng)力學(xué)特性，可以用來(lái)檢驗(yàn)現(xiàn)有的各種控制理論和控制算法的實(shí)用性，具有十分重要的理論意義，其運(yùn)動(dòng)平衡控制問(wèn)題是研究的核心問(wèn)題。本文的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)兩輪自平衡電動(dòng)車的控制策略，以實(shí)現(xiàn)在保持系統(tǒng)姿態(tài)平

2、衡的同時(shí)，完成期望的運(yùn)動(dòng)跟蹤任務(wù)。
　　首先，根據(jù)兩輪自平衡電動(dòng)車在平面二維坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)位姿，建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;采用Newton-Euler公式和Euler-Lagrange公式兩種建模方法建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)基于Euler-Lagrange法建立的模型中含有的非完整約束項(xiàng)進(jìn)行處理，建立起改進(jìn)的動(dòng)力學(xué)模型，為控制器的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
　　其次，針對(duì)兩輪自平衡電動(dòng)車這一典型的非完整、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，根據(jù)非線性系統(tǒng)的零

3、動(dòng)態(tài)原理和滑模變結(jié)構(gòu)控制具有一定的魯棒抗干擾性，設(shè)計(jì)了一種基于零動(dòng)態(tài)虛擬控制與自適應(yīng)滑模變結(jié)構(gòu)相結(jié)合的控制策略，以完成其轉(zhuǎn)向跟蹤時(shí)的運(yùn)動(dòng)平衡控制問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)不可避免的摩擦及模型不確定性，提出一種對(duì)帶有未知非線性參數(shù)項(xiàng)的摩擦模型進(jìn)行基于自適應(yīng)估計(jì)的反饋補(bǔ)償控制，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。
　　再次，針對(duì)兩輪自平衡電動(dòng)車的欠驅(qū)動(dòng)特性，提出了分層滑模變結(jié)構(gòu)控制方法。將整個(gè)系統(tǒng)解耦成兩個(gè)子系統(tǒng):欠驅(qū)動(dòng)的前向運(yùn)動(dòng)平衡子系統(tǒng)和全驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)

4、子系統(tǒng)，對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)分別應(yīng)用分層滑模控制器和滑模變結(jié)構(gòu)控制器單獨(dú)控制。
　　最后，提出一種位姿和力的協(xié)調(diào)控制的雙閉環(huán)控制策略，以滿足兩輪自平衡電動(dòng)車在保證內(nèi)部動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任意期望軌跡的跟蹤。對(duì)內(nèi)環(huán)動(dòng)力學(xué)，通過(guò)部分反饋線性化將欠驅(qū)動(dòng)部分轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)的零動(dòng)態(tài)，并對(duì)其采用虛擬控制，對(duì)全驅(qū)動(dòng)部分采用直接自適應(yīng)模糊控制方法;對(duì)外環(huán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型采用Lyapunov直接法設(shè)計(jì)位姿控制器。通過(guò)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)位姿和力的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)跟蹤控制