面向操控性的平衡车运动控制技术研究

发布时间：2022-11-12 14:48

　　近年来,智能电动车已经变得越来越普及,被用在勘探、救援、交通以及娱乐等不同的场合。自平衡式两轮电动车（以下简称“平衡车”）作为代步工具以它操控便捷、低排放、高度娱乐性而逐渐被消费者接受。同时,平衡车作为一个复杂的非线性系统,虽然仅由车体两边的直流电机作为系统的动力输入,但却有俯仰角、左右车轮转角三个自由度,故其对控制性能要求较高。另外,由平衡车引起的事故时有发生,初学者在路面崎岖、紧急制动、急速转弯等情况下,容易出现翻车等危险,限制了平衡车的推广应用。因此,需要研究有效的控制策略使平衡车稳定、安全、可操控。论文针对平衡车在复杂路况包括斜面、不平整路面和过台阶时的数学模型进行了分析,在仿真软件上进行了模型验证。将平衡车系统解耦成直行子系统和转向子系统,设计了快速终端滑模变结构控制和分层滑模变结构控制相结合的控制方法,解决了平衡车的欠驱动问题,并提高了系统到达平衡点的响应速度,并应用李雅普诺夫控制理论证明了控制方法的有效性。在此基础上本文设计了基于滑模变结构控制下的平衡车运动控制系统,实现了平衡车的直行与转向功能。在MATLAB/Simulink平台上分别进行了平衡车在不同路况下的仿真实验... 

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 国内外平衡车建模与控制方法的研究现状
        1.2.2 国内外面向平衡车操控性能的研究现状
    1.3 本课题研究的主要内容
2 自平衡两轮电动车系统建模
    2.1 水平路面下的平衡车数学建模
        2.1.1 建立参考坐标系
        2.1.2 系统的模型参数
        2.1.3 系统的动力学分析
    2.2 不平整路面下的平衡车数学建模
        2.2.1 不平整路况下的动力学分析
        2.2.2 平衡车过台阶的模型等效问题
    2.3 平衡车的动力学模型验证
    2.4 本章小结
3 基于终端分层滑模变结构的平衡车运动控制
    3.1 平衡车双闭环运动控制系统结构
    3.2 快速终端分层滑模变结构控制方法
        3.2.1 快速终端滑模变结构控制方法
        3.2.2 分层滑模变结构控制方法
        3.2.3 HFTSMC控制方法及稳定性证明
    3.3 基于滑模控制的平衡车不同路况下操控性仿真分析
        3.3.1 水平路况下平衡车的仿真分析
        3.3.2 斜面路况下平衡车的仿真分析
        3.3.3 bump路况下平衡车的仿真分析
        3.3.4 不平整路况下平衡车的仿真分析
        3.3.5 平衡车过台阶路况下的仿真分析
    3.4 基于滑模控制的平衡车紧急制动控制仿真分析
    3.5 本章小结
4 平衡车的电控系统设计
    4.1 平衡车系统的整体结构设计
    4.2 电机驱动控制系统设计
        4.2.1 运动控制主板
        4.2.2 直流电源及稳压电路单元
        4.2.3 直流有刷电机
        4.2.4 电机驱动电路
    4.3 整车姿态及速度检测系统设计
        4.3.1 基于MPU6050的姿态检测单元
        4.3.2 基于AS5040的电机转速检测单元
    4.4 本章小结
5 平衡车运动控制系统整车实物实验
    5.1 平衡车硬件电路测试
        5.1.1 平衡车主板测试
        5.1.2 电机驱动电路测试
        5.1.3 姿态检测单元测试
    5.2 基于PID控制策略的运动控制实验
        5.2.1 基于PID控制策略的平衡车系统控制方式设计
        5.2.2 基于PID控制策略的平衡车系统功能测试
    5.3 基于滑模控制策略的运动控制实验
        5.3.1 基于滑模控制策略的平衡车系统控制方式设计
        5.3.2 基于滑模控制策略的平衡车功能测试
        5.3.3 不平整路况下平衡车的运动控制实验
    5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于场效应管的大功率直流电机驱动电路设计[J]. 胡发焕,邱小童,蔡咸健.  电机与控制应用. 2011(04)
[2]双轮自平衡机器人研究综述[J]. 周毅漳,叶荣斌.  机电技术. 2009(S1)
[3]滑模变结构控制理论及其算法研究与进展[J]. 刘金琨,孙富春.  控制理论与应用. 2007(03)

博士论文
[1]多自由度两轮自平衡机器人技术研究[D]. 戴福全.北京理工大学 2015
[2]两轮自平衡机器人的研究[D]. 王晓宇.哈尔滨工业大学 2007

硕士论文
[1]基于DSP的无刷直流电机方波驱动与正弦波驱动研究[D]. 韦啟宣.华南理工大学 2012



本文编号：3706565