两轮自平衡小车的设计与变结构控制研究

论文摘要

近年来,对非完整移动机器人的理论和应用研究日益受到国内外控制界的重视,广义地说任何带有轮式移动驱动机构的机械装置如卡车等都属于这类机器人范畴,因而它具有广泛的应用背景。本文研究对象是本质不稳定的两轮自平衡机器人,经分析其动力学系统具有多变量、非线性、强耦合、时变、参数不确定性等特性。且因其运动环境复杂、运动学方程中的非完整约束,所以其控制任务也具有复杂性,需要在完成平衡控制的同时实现路径规划、路径跟踪等任务。本文研究的本质不稳定两轮自平衡机器人是一种复杂的研究性实验装置,已成为理想的控制理论和控制技术研究的实验平台。本文重点集中在本质不稳定小车的动力学控制及硬软件研发上。通过分析和借鉴国内外两轮自平衡小车的结构组成,设计了两轮自平衡小车的软硬件,并对硬件参数进行了详细的分析计算,推导出两轮小车的最大可控角度。分析引入了系统的数学模型,基于此模型进行了系统稳定性与能控能观性分析。应用变结构控制理论进行本质不稳定小车的控制研究,在小车偏角受限的条件约束下,设计出基于趋近律的滑膜变结构控制器和传统极点配置控制器。对系统进行了仿真研究,结果表明在系统外扰和参数摄动存在情况下,系统性能指标满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 两轮自平衡小车的研究意义
• 1.3 两轮自平衡小车的国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 两轮自平衡小车的平衡控制分析
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 两轮自平衡小车的系统设计
• 2.1 两轮自平衡小车功能描述
• 2.1.1 平衡思想
• 2.1.2 功能要求
• 2.2 两轮自平衡小车的总体设计
• 2.3 机械结构设计
• 2.3.1 小车下平台
• 2.3.2 小车上支架
• 2.4 控制系统器件的选择
• 2.4.1 控制芯片
• 2.4.2 驱动单元
• 2.4.2.1 预期要求的实现
• 2.4.2.2 系统的最大可控角度
• 2.4.3 传感器单元
• 2.5 控制系统电路设计
• 2.5.1 电机驱动部分
• 2.5.2 电源处理电路
• 2.5.3 传感器信号的转换与滤波
• 2.5.4 串口无线通讯
• 2.5.5 手动平衡装置
• 2.6 软件模块设计
• 2.6.1 模数（ADC）转化
• 2.6.2 编码信号处理
• 2.6.3 平衡控制
• 2.7 小结
• 第三章 两轮自平衡小车系统的模型与分析
• 3.1 系统模型的引入
• 3.1.1 小车的物理模型
• 3.1.2 非线性模型
• 3.1.3 线性化模型
• 3.2 系统分析
• 3.2.1 稳定性分析
• 3.2.2 能控性分析
• 3.2.3 能观性分析
• 3.2.4 奇异值分析
• 3.3 小结
• 第四章 变结构控制的基本理论
• 4.1 引言
• 4.2 滑模变结构控制的基本概念
• 4.2.1 滑模模态的概念
• 4.2.2 滑膜变结构控制的定义
• 4.3 滑膜变结构控制的基本原理和基本性质
• 4.3.1 滑动模态的存在条件
• 4.3.2 滑动模态的到达条件
• 4.3.3 趋近律理论
• 4.3.4 滑动模态的稳定性
• 4.4 小结
• 第五章 变结构控制器的设计
• 5.1 变结构控制系统的设计步骤
• 5.1.1 变结构控制器设计的一般步骤
• 5.1.2 设计变结构系统需要解决的问题
• 5.2 极点配置控制器和全维观测器设计
• 5.2.1 极点配置控制器
• 5.2.2 全维观测器
• 5.3 变结构控制器的设计与仿真
• 5.3.1 切换函数
• 5.3.2 控制作用U
• 5.3.3 控制器仿真
• 5.4 扰动对变结构控制器的影响
• 5.4.1 系统外部扰动对变结构控制器的影响
• 5.4.2 系统参数不确定性对变结构控制器的影响
• 5.5 小结
• 结束与展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究成果
• 附录A 两轮自平衡小车的受力分析
• 附录B 两轮自平衡小车外观图