【摘 要】
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无人自行车具有机构简单、能耗小、重量轻等优点,并且能够适应较为狭窄的区域,因此在物资运输,安防巡查的等领域拥有很好的应用前景。现有的关于无人自行车的运动控制研究中,主要注重其侧向平衡运动的控制,这也是本文主要研究的内容。同时,考虑到无人自行车实际的应用环境较为复杂,在不同地形行驶时会受到不同的外界干扰,要求自行车需要具有一定的能够克服这些外界干扰的鲁棒性。因此,本研究将致力于提升无人自行车侧向平衡
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无人自行车具有机构简单、能耗小、重量轻等优点,并且能够适应较为狭窄的区域,因此在物资运输,安防巡查的等领域拥有很好的应用前景。现有的关于无人自行车的运动控制研究中,主要注重其侧向平衡运动的控制,这也是本文主要研究的内容。同时,考虑到无人自行车实际的应用环境较为复杂,在不同地形行驶时会受到不同的外界干扰,要求自行车需要具有一定的能够克服这些外界干扰的鲁棒性。因此,本研究将致力于提升无人自行车侧向平衡运动的稳定性,以无机械辅助的无人自行车为研究对象,设计一种自抗扰控制器来实时调节车体运动姿态,实现无人自行车的侧向平衡运动。具体的研究内容如下:1)对现有的无人自行车物理样机建立合适的非线性动力学模型并线性化处理。对无人自行车系统的完整约束和非完整约束进行分析,选用查普雷金方程,建立无人自行车的非线性动力学模型,用于数值仿真中计算系统的状态响应;同时考虑到控制器工程化的实时性要求,对建立的非线性模型进行线性化处理,并通过力矩响应对比验证该线性系统的准确性。2)基于处理得到的线性化模型完成自抗扰控制器的设计。根据自抗扰控制方法原理,分两个部分设计控制器:第一部分设计两个状态观测器,分别用于观测横滚角、横滚角速度以及车把转角、车把转角速度,同时估计车体收到的集总干扰;第二部分引入全阶滑模控制作为线性状态反馈控制律部分。最后对控制器的稳定性进行验证。3)使用Matlab-Simulink工具进行侧向平衡运动仿真。数值仿真分为两个部分进行:第一部分为自抗扰控制器的侧向平衡仿真,第二部分为全阶滑模控制器的侧向平衡仿真;根据系统的状态响应对自抗扰控制器的鲁棒性进行分析。4)根据设计完成的自抗扰控制器在物理样机的工控机上编写C++程序,分别进行自抗扰控制器和全阶滑模控制器的无人自行车侧向平衡实验,采集实验时车体的各个状态数据,由数据图像对比分析自抗扰控制器的鲁棒性。本文主要针对无人自行车实际应用环境的路况较为复杂的问题,参考自抗扰控制方法设计了抗扰能力较强的控制器,并完成了侧向平衡运动的数值仿真和物理样机实验。研究结果表明,该控制器具有一定的能够克服外界干扰的鲁棒性,能够有效提升无人自行车对外界环境的适应能力。此结果可以为无人自行车的轨迹控制等研究提供一定的研究基础。
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