自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)是一種具有左右兩輪且能自動(dòng)保持平衡的倒立擺系統(tǒng)，它是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)分支，具有自主保持車(chē)體平衡不傾倒的能力。自該車(chē)作為載人代步工具問(wèn)世以來(lái)，由于其獨(dú)有的占地面積小、機(jī)動(dòng)靈活性強(qiáng)、能零半徑轉(zhuǎn)彎、駕駛方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而廣受市場(chǎng)關(guān)注。同時(shí)該車(chē)又是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、傳感模塊、車(chē)體控制模塊、機(jī)械本體等，并廣泛涉及電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、電源技術(shù)、傳感技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、控制理論、機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)等多領(lǐng)域的內(nèi)

2、容。由于其技術(shù)的復(fù)雜性使得目前只有少數(shù)企業(yè)具備研發(fā)該車(chē)的能力，從而形成了技術(shù)壟斷。又由于其系統(tǒng)的復(fù)雜性而增加了該車(chē)的制造和維護(hù)成本，同時(shí)又降低了其運(yùn)行的可靠性。
　　 自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)在于能否高性能地控制車(chē)體保持動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，故本文研究該車(chē)的自平衡控制方式，旨在設(shè)計(jì)一種自平衡控制系統(tǒng)，并完成此系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)。該控制系統(tǒng)應(yīng)能夠在保持良好平衡動(dòng)態(tài)性能的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步降低該車(chē)的生產(chǎn)、維護(hù)成本，提高其運(yùn)行的

3、可靠性。為此本文具體完成了以下工作：
　　 ①重要模塊的硬件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了該車(chē)自平衡控制系統(tǒng)重要部分的硬件電路，包括姿態(tài)信號(hào)檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主電路驅(qū)動(dòng)與緩沖模塊等；
　　 ②姿態(tài)檢測(cè)濾波算法的設(shè)計(jì)?；贙alman濾波器設(shè)計(jì)了多傳感器信號(hào)融合濾波算法，以抑制傳感信號(hào)的溫度漂移現(xiàn)象和增強(qiáng)其抗干擾的能力；
　　 ③自平衡兩輪電動(dòng)車(chē)的數(shù)學(xué)建模。本文所建立的模型與傳統(tǒng)模型不同，它將自平衡車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電樞電流(而非傳統(tǒng)的

4、電樞電壓)作為控制量引出。該模型能夠描述自平衡車(chē)自我平衡控制的本質(zhì)，即直接控制轉(zhuǎn)矩電流的平衡控制方式。故本文將該模型稱(chēng)為直接轉(zhuǎn)矩模型。由于建立了直接轉(zhuǎn)矩模型，之后所提出的能夠簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的無(wú)車(chē)速傳感器平衡控制方式才能夠以此為基礎(chǔ)建立起來(lái)。此模型是無(wú)車(chē)速傳感平衡控制器的設(shè)計(jì)依據(jù)；
　　 ④自平衡控制器的設(shè)計(jì)。該部分為本文的核心部分，設(shè)計(jì)了無(wú)車(chē)速傳感器變結(jié)構(gòu)平衡控制方法，這里的車(chē)速可由電機(jī)軸轉(zhuǎn)速傳感信號(hào)反映。對(duì)于自平衡車(chē)的傳統(tǒng)平衡控

5、制方式而言，若要求較高的平衡動(dòng)態(tài)性能則必須要引入車(chē)體的全部狀態(tài)反饋，其中車(chē)速就是系統(tǒng)中的一個(gè)狀態(tài)，這樣在控制系統(tǒng)中就必然安裝車(chē)速傳感器，因此增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。本文設(shè)計(jì)了一種無(wú)需車(chē)速傳感，同時(shí)還能保持良好的平衡動(dòng)態(tài)性能的控制器。該控制方式既為無(wú)車(chē)速傳感變結(jié)構(gòu)平衡控制方式，其設(shè)計(jì)以直接轉(zhuǎn)矩模型為依據(jù)，以滑模變結(jié)構(gòu)控制器為核心，控制目標(biāo)是在車(chē)體
　　 因受擾動(dòng)而偏離平衡位置時(shí)控制其快速平穩(wěn)地恢復(fù)到平衡狀態(tài)，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)在于比

6、起需要引入車(chē)速反饋的傳統(tǒng)控制方式，該方式省去了車(chē)速傳感環(huán)節(jié)，從而降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)還可以保持良好的平衡動(dòng)態(tài)性能。本文通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證了該方式的可行性，同時(shí)與傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行了仿真對(duì)比研究，驗(yàn)證了該方法在平衡控制動(dòng)態(tài)性能上的優(yōu)越性。最后，本文提出了該控制方式所存在的缺點(diǎn)，即無(wú)法自我消除速度的積分效應(yīng)所帶來(lái)的不穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)其進(jìn)行了說(shuō)明。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)思路，最后成功地制作出了可載人運(yùn)行的實(shí)物樣機(jī)。這又進(jìn)一步用實(shí)踐驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可