一种欠驱动垂摆式两轮车双闭环协调控制方法研究

摘要

垂摆式两轮车，不同于传统的倒立摆式两轮自平衡车，是一种重心下置式两轮车。由于结构简单，能耗低，避障灵活，稳定易控等优点，垂摆式两轮车更适合在非结构化环境下工作，因此，拥有广阔的应用前景，如空间探索、抢险救援等，近年来得到越来越多的关注。
　　垂摆式两轮车的动力学具有非线性、强耦合、非完整及欠驱动等特点，为方便系统的运动控制及轨迹跟踪研究，需要建立系统的动力学模型。首先，应用Euler-Lagrange能量法建立相互耦合的四坐标具有非完整约束的非线性动力学模型;为消除非完整约束的影响，对建立的四坐标动力学模型进行了降阶处理，得到了包含运动速度及车身摆角速度的三坐标动力学模型。
　　其次，对于垂摆式两轮车的运动控制和轨迹跟踪，提出双闭环控制方法；对内环的动力学部分，利用滑模变结构方法设计控制器，实现对运动速度的跟踪；对外环的运动学部分，设计位姿误差控制器，实现垂摆式两轮车在惯性坐标系下对任意参考轨迹的跟踪。
　　再次，对于垂摆式两轮车动力学模型的欠驱动特性，提出自适应的分层滑模控制方法，实现速度跟踪及车身摆角的镇定，同时，自适应策略使得控制器摆脱对于系统物理参数精确值的依赖。
　　最后，考虑地面摩擦力的影响，建立垂摆式两轮车动力学模型，采用连续的参数化模型对摩擦效应进行描述，设计带有摩擦补偿的跟踪控制方法对摩擦产生的不利影响进行消除，同时利用RBF神经网络对不确定的参数化摩擦模型进行在线辨识。仿真结果验证所提出的控制策略的可行性和有效性。

目录

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摘要

英文摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外两轮车研究现状

1．2．1 两轮自平衡车研究现状

1．2．2 垂摆式两轮车研究现状

1．3 两轮电动车控制方法研究

1．4 本文的主要内容及安排

2 垂摆式两轮车模型建立

2．1 垂摆式两轮车系统描述

2．2 车辆系统的运动学模型

2．3 基于Euler-Lagrange法的动力学建模

2．4 模型降阶形式处理

2．5 本章小结

3 基于滑模技术的双闭环跟踪控制方法设计

3．1 状态空间模型

3．2 双闭环控制系统结构设计

3．3 内环动力学滑模控制方法设计

3．2．1 滑模变结构技术

3．2．2 滑模控制器设计

3．4 外环运动学跟踪控制方法设计

3．5 仿真分析

3．6 本章小结

4 基于分层滑模技术的自适应跟踪控制方法设计

4．1 动力学子系统模型

4．2 分层滑模控制方法设计

4．2．1 分层滑模技术

4．2．2 欠驱动子系统分层滑模控制器设计

4．2．3 转向子系统滑模控制器设计

4．3 对模型物理参数在线辨识的自适应控制

4．3．1 欠驱动子系统自适应律

4．3．2 转向子系统自适应律

4．4 仿真分析

4．4．1 连续轨迹跟踪仿真分析

4．4．2 非连续轨迹跟踪仿真分析

4．5 本章小结

5 基于RBF神经网络逼近地面摩擦的补偿控制方法设计

5．1 考虑地面摩擦的动力学模型

5．1．1 动力学方程

5．1．2 地面摩擦模型

5．2 RBF神经网络逼近的补偿控制器设计

5．2．1 RBF神经网络原理

5．2．2 补偿控制器设计

5．2．3 RBF神经网络自适应律

5．3 仿真分析

5．4 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