基于动态解耦与终端滑模技术的垂摆式两轮车控制研究

摘要

垂摆式两轮车是两轮机器人的一种，其重心位于车轮轴线下方，是一种本质稳定的系统。两轮车以体积小、转弯灵敏、活动范围小等优势在许多领域得到应用，但两轮车系统也存在欠驱动、耦合、非完整约束等问题，因此在进行控制系统设计时需要综合考虑这些复杂因素，从而使垂摆式两轮车实现预定控制目标具有一定的挑战性。
　　首先，在深入剖析垂摆式两轮车物理模型的基础上，建立两轮车系统的力学模型。垂摆式两轮车系统在设计其物理结构时将其重力摆放在车轮轴线下方，便于系统能够满足自身的稳定性要求，并在此物理结构的基础上了解系统的运动机理。垂摆式两轮车物理模型建立后还要进行系统的参数设定，以便基于Euler-Lagrange公式法建立垂摆式两轮车系统力学模型。
　　其次，基于系统力学模型动态解耦算法，提出垂摆式两轮车稳定运行所需的子系统控制器的设计方法。为方便进行垂摆式两轮车系统控制器的设计，其力学模型中的耦合问题要先得到处理，所以本文对系统引入动态解耦算法进行解耦，使系统转化为不带耦合的理想系统。解耦后系统能够分为前进子系统和转向子系统，再分别进行控制器的设计以及仿真分析。
　　再次，应用terminal滑模控制理论，使垂摆式两轮车跟踪误差能够在有限时间快速收敛。系统实现稳定运行后，为进一步控制其运行轨迹，引入terminal滑模控制理论，并将该理论应用于两轮车的轨迹跟踪控制，从而能够根据系统的需要设计其收敛时间，然后分别应用Lyapunov函数直接法和快速终端滑模算法进行轨迹跟踪控制器的设计，验证terminal滑模控制理论对收敛时间的可控性。
　　最后，应用双闭环控制结构提出基于自适应控制的垂摆式两轮车控制系统。系统在设计控制器时引入自适应控制，可以增强两轮车运行时的鲁棒性及抗外界干扰能力。在垂摆式两轮车系统的双闭环控制结构中，外环为两轮车系统轨迹跟踪控制，内环主要实现系统的前进和转向，然后在内外环的协作下实现垂摆式两轮车的整体控制目标。基于上述控制系统，应用Matlab仿真验证以上方法和理论的可行性与有效性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 欠驱动两轮车的发展历程及研究成果

1．2．1 国外的研究成果及现状

1．2．2 国内的研究成果及现状

1．3 两轮车的主要控制理论与技术

1．4 本文的主要研究内容

2 垂摆式两轮车模型

2．1 引言

2．2 垂摆式两轮车的物理模型

2．2．1 两轮车的结构设计

2．2．2 两轮车的运动机理

2．3 垂摆式两轮车系统的模型参数

2．4 垂摆式两轮车动力学模型的建立

2．5 本章小结

3 基于分层滑模控制算法的两轮车控制系统设计

3．1 引言

3．2 欠驱动系统的解耦算法

3．3 耦合欠驱动两轮车系统的解耦

3．4 基于分层滑模控制算法的两轮车控制器设计

3．4．1 分层滑模控制理论

3．4．2 前进子系统控制器的设计

3．4．3 转向子系统控制器的设计

3．4．4 仿真分析

3．5 本章小结

4 基于Terminal滑模算法的两轮车轨迹跟踪控制

4．1 引言

4．2 Terminal滑模控制理论

4．2．1 一阶系统

4．2．2 二阶系统

4．3 轨迹跟踪控制

4．3．1 Lyapunov 函数直接法轨迹跟踪控制

4．3．2 终端滑模轨迹跟踪控制

4．3．3 仿真分析

4．4 本章小结

5 基于自适应控制的两轮车双闭环控制结构

5．1 引言

5．2 双闭环控制结构

5．3 基于自适应控制的内环系统设计

5．3．1 自适应控制理论

5．3．2 前进子系统控制器的设计

5．3．3 转向子系统控制器的设计

5．4．外环系统设计

5．5 仿真分析

5．5．1 轨迹跟踪圆形曲线

5．5．2 轨迹跟踪“8”字形曲线

5．6 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