载人两轮自平衡车控制系统的研究与设计

摘要

载人两轮自平衡车作为一种新型出行交通工具，采用电力驱动，具有具有低碳、环保、节能、便携的优势。不仅可以作为一种短距离代步骑行工具和娱乐设备，而且可以应用于轮式机器人、外骨骼稳定控制和航空航天等领域中，其自平衡关键技术对于自然不稳定系统和欠驱动系统研究有着重要的作用。载人两轮自平衡车作为一种机械自平衡装置具有系统非线性、人机强耦合等特点。由于其两轮不稳定的机械结构，在人机协作骑行过程中很容易收到外界不确定因素的影响。在自平衡车的设计中具有动态稳定性影响因素多、运动控制复杂等特点。因此如何准确实时的识别人机姿态信息，设计出鲁棒性强、适用范围广的自平衡控制系统是载人自平衡车研究的两个重要组成部分。本文通过实际工程，研究载人自平衡车的运动特点和控制规律，设计和实现了状态感知和自平衡控制算法。
　　本研究主要内容包括：⑴基于数据融合的人机姿态实时感知及交互技术，针对在姿态解算中存在的实时状态延迟和干扰误差等问题，依据实际需要设计了一种基于卡尔曼滤波的自适应姿态融合解算算法，并根据噪声和测量元件的特性提出了一种自适应补偿策略；⑵研究并设计了一种针对柔性大负载的自平衡控制算法。根据柔性载体于车体之间存在着很强的人机干扰从而产生自激振荡，对载人自平衡控制系统在柔性大负载情况下大扭矩实时响应提出了更高的要求，针对这一问题，设计了一种基于电机伺服控制算法和双闭环平衡控制算法的三闭环自平衡控制方法；⑶针对市场上载人自平衡车掉电、失控等若干问题，从系统的角度进行了若干优化法，在硬件方面改进设计设计中加入了载人感应开关确定无人状态下车体的绝对停止；在软件设计方面加入了报警装置，针对电量过低、超速、倾角过大、车速失控等问题，提前预测；⑷为了验证本文所设计自平衡控制系统的控制性能分别从刚性载体和柔性载体两个方面对载人自平衡车的平衡性能和稳定性进行实验验证，证明了本文所设计的姿态感知和自平衡控制算法的稳定性和可行性。

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