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一种新型两轮自平衡小车的建模与控制

作　者: 丁凤
导　师: 黄剑
学　校: 华中科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 两轮自平衡小车滑模控制（SMC） MATLAB 动态物理引擎（ODE）
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

本文介绍一种新型两轮自平衡小车UW-Car，本质上一类两轮智能机器人，主体结构类似于倒立摆系统，但它优于倒立摆系统，具有比倒立摆更大的运动自由度。它的下体部分是由两个同轴、左右平行分布的车轮的传统轮式倒立摆构成；上体由直线电机驱动的可移动座椅组成。车体的重心在两个车轮的上方，通过可移动座椅运动实现自平衡。自平衡小车具有体积小，质量轻，结构简单，能够与其他UW-Car共用一个车道、车库，低排放等特点，特别适合狭小空间的运载操作，但它固有的非线性、不稳定动力学性能，其控制难度非常大，控制算法复杂，本文在分析两轮自平衡小车的发展和特点的基础上，通过对小车的机械结构分析，采用拉格朗日动力学方程的方法建立两轮小车的两维和三维动力学模型。在模型的基础上，得到小车在运动过程中的平衡点，通过设计滑模控制器，实现小车在直线运动和拐弯运动的速度控制。刹车系统是为了在技术上保证小车的安全行驶而在小车上安装的制动机制。在小车安全运动中扮演重要角色。本文针对自平衡小车特点提出一种最优刹车策略。采用离线遗传算法获得刹车过程滑模控制器的最优参数，通过三级滑模切换控制实现小车的最优刹车。为了验证理论分析，我们分别在MATLAB和动态物理引擎（ODE）仿真环境中实现小车速度控制和最优刹车控制，仿真结果证明了动力学模型的正确性和滑模控制器的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-18
  1.1 两轮自平衡小车研究的背景与意义  8-10
  1.2 两轮自平衡小车研究的国内外现状  10-13
  1.3 两轮自平衡小车的控制方法  13-14
  1.4 实验仿真环境  14-16
  1.5 本文研究的内容和结构  16-18
2 新型自平衡小车的动力学模型  18-29
  2.1 简介  18-19
  2.2 自平衡小车二维动力学模型  19-22
  2.3 两轮自平衡小车三维动力学模型  22-27
  2.4 本章小结  27-29
3 TERMINAL 滑模控制  29-35
  3.1 滑模控制介绍  29-30
  3.2 TERMINAL 滑模控制  30-34
  3.3 本章小结  34-35
4 两轮小车操作  35-47
  4.1 两轮小车的速度控制  35-40
  4.2 两轮小车的最优刹车控制  40-46
  4.3 本章小结  46-47
5 仿真结果  47-58
  5.1 直线运动中的速度控制仿真  47-51
  5.2 非直线运动中速度控制  51-54
  5.3 最优刹车策略仿真  54-56
  5.4 本章小结  56-58
6 总结与展望  58-59
致谢  59-60
参考文献  60-64
附录 Ⅰ 攻读硕士期间发表的文章  64-65
附录 Ⅱ  65-67

一种新型两轮自平衡小车的建模与控制

内容摘要

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