自平衡双轮移动小车设计与控制研究

【摘要】：自平衡双轮移动小车又称为两轮自平衡机器人，是轮式机器人的分支之一。其结构紧凑、占空间小、机动灵活、非常适用于空间狭小和需要大角度转向的场合，在军事、民用交通、工厂自动化等领域有极大的实用价值。同时，自平衡双轮移动小车是静态不稳定、动态稳定系统，具有非线性、强耦合、多变量、欠驱动等特点。因此它是检验各种控制方法的经典平台，具有重要的理论研究价值。 自平衡双轮移动小车控制研究的问题包括动态平衡控制、对期望运动的伺服跟踪、实现完全自主移动等,其中动态平衡控制是其他研究的前提与关键。本文在介绍分析国内外研究现状的基础上，研究自平衡双轮移动小车的动态平衡控制问题。首先基于牛顿力学原理，对自平衡双轮移动小车进行了运动学和动力学分析，分别建立了直流电动机、车轮、车体的数学模型，并根据三者的内在联系建立了整个系统的数学模型，为控制器设计提供理论依据。设计和搭建了一个自平衡双轮移动小车，并以此为实验平台。根据自平衡双轮移动小车所用传感器的特点，提出了一种基于卡尔曼滤波原理的传感器数据处理与融合算法，对陀螺仪和加速度计的测量数据进行处理，从而获取小车车体倾斜角度与倾斜角速度的最优估计。将系统进行解耦，并且在平衡点附近进行线性化，分别研究了基于PID调节控制、基于极点配置控制的传统控制方法。并探索学习型控制方法这一新型前沿控制理论，研究了基于支持向量回归机的控制方法以实现自平衡双轮移动小车的动态平衡控制。 利用MATLAB及Simulink对上述控制器进行仿真，并通过搭建的小车实验平台进行数据融合、动态平衡控制实验，获得了期望的动态平衡性能，验证了数据处理与融合算法、相应控制器的正确性与有效性。