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双闭环控制方法在两轮自平衡小车中的应用研究

茹斐斐  
【摘要】:两轮自平衡小车的结构与倒立摆系统极为类似,都是复杂系统之一,其本质具有不稳定、多变量、非线性、强耦合等特点,同时其结构简单,易于实现,成本不高。倒立摆系统是许多现代控制理论研究人员一直视为的研究对象,他们不断挖掘新的控制方法,并将其应用于航天科技和机器人学等各种高科技领域。本文的目的是通过研究传统的倒立摆系统来设计并控制两轮自平衡小车。基于此目的,从研究倒立摆系统建模入手,分别采用牛顿-欧拉和基于SimMechannics工具箱的建模方法成功建立倒立摆的数学模型和机构模型,并提出了一种双闭环控制策略,成功控制了倒立摆系统。经过对倒立摆系统的深入研究后,设计出了两轮自平衡小车模型,并采用双闭环策略成功控制了小车的站立。 具体内容包括一下几点:第一,采用牛顿-欧拉法建立了直线一级倒立摆系统的数学模型,并可采用基于SimMechannics工具箱的建模方法,本文以直线一级倒立摆为例,成功建立其机构模型,并用LQR算法验证了此建模方法的有效性。第二,基于对PID算法、根轨迹校正算法和模糊逻辑控制算法的研究,提出了一种双闭环的控制算法,并以直线一级倒立摆为例,成功验证了此算法的有效性。第三,基于对倒立摆系统建模和控制算法的深入研究,设计了两轮自平衡小车,其中包括各个重要传感器和电路模块的设计研究,并最终采用双闭环控制算法成功控制了两轮自平衡小车的稳定性。这对以后的控制算法验证又提供了实验平台,而且具有相当的现实意义。


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