无人自行车的负载特性研究与分析

摘要

针对一种无机械平衡调节装置的无人自行车,基于查普雷金(Chaplygin)线性化动力学模型,分别采用全阶滑模控制方法和线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制方法,研究负载的质量变化和竖直位置变化对无人自行车侧向平衡运动的影响问题。参考雅可比矩阵的方法,将无人自行车的查普雷金力学模型线性化处理,同时分别采用全阶滑模控制器和LQR控制器,按一定梯度改变负载质量和竖直位置,对无人自行车侧向平衡运动进行数值仿真和物理样机的实验研究,分析负载的质量和竖直位置对侧向平衡运动控制的影响规律。研究结果表明:若负载质量增加,车架横滚角和车把转角的超调量增大,车把力矩的超调量减小;若负载竖直向上移动,车架横滚角和横滚角速度的超调量均减小,车把转角速度和车把力矩的超调量均增大。研究结果可为无人自行车相关实验的电机型号和电池容量选用提供一定的参考。