兩輪自平衡小車的控制技術(shù)研究.pdf

1、兩輪自平衡小車是一種非線性、多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定的復(fù)雜系統(tǒng)，它體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動靈活，適合在狹小的空間內(nèi)工作，是檢驗(yàn)各種控制方法處理能力的一個理想裝置，受到科學(xué)家的重視，成為具有挑戰(zhàn)性的課題之一。
　　 兩輪自平衡小車系統(tǒng)是一種兩輪左右并行布置的系統(tǒng)。像傳統(tǒng)的倒立擺一樣，其工作原理是依靠傾角傳感器所檢測的位姿和狀態(tài)變化率結(jié)合控制算法來維持自身平衡。本文在總結(jié)和歸納國內(nèi)外研究現(xiàn)狀后，選用適當(dāng)?shù)目刂破鳌?zhí)行電機(jī)和傳感器，設(shè)

2、計出了兩輪自平衡小車的控制部分，選用的傾角傳感器以實(shí)時獲取小車的當(dāng)前姿態(tài)，并將姿態(tài)信息經(jīng)外圍電路送給控制器，通過控制算法輸出的控制信號來驅(qū)動電機(jī)，從而來實(shí)現(xiàn)小車的自平衡。借鑒國內(nèi)外機(jī)器人系統(tǒng)的建模，根據(jù)運(yùn)動學(xué)和牛頓力學(xué)對小車系統(tǒng)進(jìn)行建模，對非線性模型進(jìn)行了反饋線性化，并對線性化后的模型進(jìn)行了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可控性和可觀性驗(yàn)證。在控制器的設(shè)計中，首先利用傳統(tǒng)PID和LQR控制對簡單模型進(jìn)行可行性分析；接著根據(jù)變結(jié)構(gòu)控制理論設(shè)計了基于指數(shù)趨近

3、律的變結(jié)構(gòu)控制器，并對小車系統(tǒng)加外部干擾進(jìn)行仿真驗(yàn)證；最后采用線性二次型最優(yōu)控制，分別改變Q、R，分析了系統(tǒng)的角度、控制電壓的輸出響應(yīng)，可以看出控制器Q、R的選擇對系統(tǒng)的暫態(tài)性能、穩(wěn)定性、魯棒性和可控范圍有很大的影響，通過分析為實(shí)現(xiàn)兩輪小車大范圍穩(wěn)定控制的線性控制器的設(shè)計提供了依據(jù)，并對小車系統(tǒng)外部干擾進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
　　 仿真結(jié)果表明LQR控制比PID控制要好；小車系統(tǒng)在變結(jié)構(gòu)控制器的作用下出現(xiàn)了比較大的抖振，但是它有較強(qiáng)魯棒