低重心式两轮车动力学建模与分析毕业论文(编辑修改稿)

低重心式两轮车动力学建模与分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

先对现有的两轮自平衡机器人系统进行介绍。 两轮自平衡机器人的国外研究现状 1996 年，日本 Tsukuba 大学的 Naoji Shiroma 等人 ][2 在前人设计的基础上 提 出了使用 倒立摆原理构造两轮车的想法并且设计了 多个两轮倒立摆机器人合作运输重物。 在试验中通过操作者的干预和 操作者手指的协助成功地实现了物体搬运。 图 11 是 他们设计的 搬运物体的两轮倒立摆机器人 的样机模型。 在这一模型当中通过 人和轮式倒立摆机器人合作组成的系统实现了物体搬运 的 功能。 在该系统控制设计中 姿态测量采用陀螺仪，机器人由一个电机驱动 因此 只能实现直线运动。 在控制算法上 机器人在优化极点配置的基础上，利用状态反馈算法得到搬运物体时所需抵抗外力的数值。 图 11 两轮倒立摆机器人 低重心式两轮车动力学建模与分析 –3– 20xx 年， 来自 美国的 研究学者 Dan Piponi 设计了如图 12 所示的两轮自平衡机器人 Equibot ][2。 他所涉及的两轮自平衡机器人 工作原理与 Legway 类似，所不同的是它采用灵敏红外线测距仪作为传感器。 这种机器人 的一个比较明显的局限是 只适用于比较平坦的路况。 一旦路面不平坦或者 路面情况特别不好的 情况 出现 ， 该 机器人 就 会跌倒 造成无法正常行走的情况。 该机器人的另外一个比较明显的缺陷是 其动力分配不够准确， 造成 对电动机进行驱动所消耗的电流会导致 传感器测量不准确。 图 12 机器人 Equibot 20xx 年，西澳大利亚大学的 完成了平衡两轮自主移动机器人的论文 ][2 ， 该机器人 样机模型 如图 13 所示。 该机器人样机 为研究多传感器数据融合和卡尔曼滤波提供了测试 完美的测试 平台。 与此同时它还可以作为测试 倒立摆系统的不稳定性 和 极点配置算法等线性控制理论提供了理想的研究平台。 该机器人在 系统建模时充分考虑了电机模型对系统动力学性能的影响，感知系统采用陀螺仪和倾角计，通过 LQR、极点配 置法实现了机器人的平衡。 的一个创新就是 从理论上提出了 PID 参数、滤波器参数的调节规律，并经过实验验证，从而保证了控制系统、数据处理系统可靠、准确的工作。 低重心式两轮车动力学建模与分析 –4– 图 13 可移动机器人 20xx 年，法国 Valenciennes 大学的 、 等人 ][3 将两轮机器人的概念应用到城市自主出租汽车 B2 中， 并且 提出了两种可供选择的控制方法：一种是 标准的线性控制法。 在动态平衡点 的设计中忽略一些干扰等非线性因素从而 通过使电机输出最小的力矩保持机器人的动态平衡 ； 另 外 一种 控制方法 是平行分布补偿法， 、 在控制中 引入了 TS 模糊模型，建模时考虑了一些非线性因素 因而 能够给出 比较精确的非线性表示 的数学模型。 经过实验可以发现其 平衡效果比较好 ， 但是 也 牺牲了实时性。 如果模糊控制稳定性评价标准增加，控制规则将呈几何级数增加。 B2 的体积只有普通轿车的十分之一，占用城市空间小。 而且从汽车发展的角度看， B2 在能量效率方面极具竞争力，减少了污染与交通堵 塞，符合现代社会运输的需求，增加了城市的活力。 B2 的结构如图 14 所示。 图 14 两轮城市自主出租车 低重心式两轮车动力学建模与分析 –5– 20xx 年，美国 Lego 公司的 工程师 Steve Hassenplug 设计了如图 15 所示的两轮自平衡传感式机器人 Legway ][3。 设计 中 引入了电机的差动驱动方式 ,它可以工作在倾斜面甚至不规则表面上，并可遥操作。 通过对电动机进行遥控， Legway 可以在前行，退行或者转弯时保持平衡。 它可以实现零半径 转向运 动 和 U 型回转 运动。 图 15 移动机器人 Legway 两轮自平衡机器人国内研究现状 香港中文大学的徐扬生教授，在 20 世纪 90 年代曾经设计过一种名为“ Gyrover”的独轮车，如图 16 所示。 Gyrover 在外形上属于椭球形，在运动方式上以前向滚动为主，驱动力矩来源于偏心力矩，应用陀螺效应实现其转向。 图 16 移动机器人 Gyrover 20xx 年，西安电子科技大学叶聪红、徐文龙等研制出如图 17 所示的带有两个随动轮的两轮驱动小车。 在控制算法上一个比较鲜明的特点就是 在环境信息完 全已知的情况低重心式两轮车动力学建模与分析 –6– 下，实现了两轮小车期望的路径规划。 并且 通过速度反馈和位置反馈，提高了 两轮车的抗干扰能力。 图 17 电子科大两轮车 20xx 年，中国科技大学段旭东、魏衡华等模仿机器人 Joe 设计了如图 18 所示的二轮小车 倒立摆系统 ][4 ，并针对系统建模过程中可能出现的不确定性以及噪声问题进行了研究。 根据系统的动态特性，通过经典牛顿力学原理建立了系统在斜坡上的的动态模型。 采用鲁棒控制算法，保证了系统的动态和稳态性能。 在控制结构上通过 采用无限冲激响应（ IIR）数字滤波 的方法来抑制陀螺仪的噪声，减少了陀螺仪的测量误差。 但是在受力分析过程中没有考虑外界的扰动力，在建模过程中忽略了滑动摩擦力、车体与车轮之间的摩擦力矩。 通过加速度计对角度进行校正的效果不好，没能从根本上克服陀螺仪噪声引起的零点漂移问题。 图 18 两轮倒立摆小车 低重心式两轮车动力学建模与分析 –7– 典型两轮自平衡机器人系统性能分析与比较 通过对两轮自平衡机器人的研究现状进行分析，我们可以发现不同类型的两轮自平衡机器人，其机械结构、工作原理、传感器选择、处理器数量、元器件布局及控制算法都存在着很大差异。 同时通过对两轮自平衡机器人的研究 我们可以发现现有的两轮自平衡机器人主要分为倒立摆式（集中式）和质量均布式（堆叠式）。 倒立摆式机器人质量主要集中在车轴和摆杆顶端，有一定长度的摆杆，设计时可以充分借鉴倒立摆的研究成果，但是扩展空间相对有限；质量均布式机器人采用分层布置的思想，将元器件按照功能逐层布置，降低了机器人的高度，提高了运动灵活性，结构层次清晰，扩展功能方便。 但是同时我们也可以看到现有的两轮自平衡机器人的质心主要是分布在两轮车的上部，因此现有的两轮自平衡机器人均可以称为高重心两轮自平衡机器人，现阶段两轮自平衡机器人高重心分布的主要原因 一方面是为了设计时可以充分借鉴倒立摆的研究成果，另一方面是由于现阶段两轮自平衡机器人的使用上主要还是需要与操作者的交互。 操作者在使用现有两轮自平衡机器人时可以站在两轮自平衡机器人的上面，适应高重心自平衡的要求。 但是另一方面 在 空间探索以及一些不适宜人工操作的恶劣环境下，现有两轮自平衡机器人则存在着明显的不足，因此在机器人研究中针对自适应性高智能性的要求，众多研究者开发出了一系列低重心机器人，其中比较有代表的低重心机器人就是球形机器人。 20xx 年，瑞典乌普萨拉大学的布鲁恩等人研制出了一种用于星球探测的球形机器 人SMIPS。 该机器人由一根长轴和一个配重块组成。 它有两个驱动电机 :一个电机驱动长轴转动，另一个电机驱动配重块在与长轴的同一平面上摆动。 这两种运动的合成实现了球形机器人的全方位运动。 该球形机器人的结构简图如图 19 所示 图 19 球形机器人 低重心式两轮车动力学建模与分析 –8– 另外还有一种介于两轮自平衡机器人和球形机器人之间的机器人，它由两个半球组成，并可以分别独立控制， 如图 110 所示。 电机驱动安装在球形机器人的底部，通过调节电机的转速来改变机器人的运动速度。 当机器人转弯时，将一个电机的速度减小即可实现。 两个半球体之间的空隙可以用来安 装多种传感器，这种结构失去了传统球形机器人的封闭特性，但同时也具有两轮自平衡机器人的一些优点与特性。 图 110 介于球形机器人和两轮自平衡机器人之间的机器人 图 111 为美国国防局研究的 Subot 机器人。 Subot 机器人吸收了两轮自平衡机器人和球星机器人的双重优点因而在形状上兼具两轮车和球形机器人的特征。 Subot 机器人的 两个半球壳充当轮子分别由电机单独驱动。 图 110 机器人 Subot 结构图 低重心式两轮车动力学建模与分析 –9– 通过对机器人构型研究现状的分析，可以发现当前开发的大多数机器人主要是 利用驱动配重沿着与球体 固连的轮辐运动或轴改变配重重心来实现行走，配重型驱动型机器人能以零转弯半径向任意方向运动，与传统的轮式驱动机器人相比，其行走方式有了本质的改进。 因此本课题通过参考两轮自平衡机器人和球形机器人的各种模型与样机，力主设计一种新型的配重驱动型两轮自平衡机器人 —— 低重心式两轮车 ，以此扩大传统两轮自平衡机器的使用范围并增强其智能性和自适应性。 两轮自平衡机器人研究发展 趋向 我们看到 虽然目前已经存在很多 两轮自平衡机器人 的制造样机，但是能真正应用于实际工程项目和实践应用的并不多， 产生这种情况的主要原因有以下几点： 1. 由于两轮自平衡机器人的特殊构型以及非完整约束问题，其研究难度较大。 目前两轮自平衡机器人在结构设计方面的研究尚不成熟，很多课题有待进一步的探索和完善。 当前还没有一套成熟的两轮自平衡机器人结构设计体系，机器人的许多结构参数尚需完善。 两轮自平衡机器人的结构设计与其运动学和动力学的研究独立进行，还较少将动力学的研究成果应用在两轮自平衡机器人的结构设计当中。 2. 两轮自平衡机器人研究的另一个难题就是控制难问题。 由于现阶段开发的两轮自平衡机器人有应用到空间探测等无人环境以及某些环境恶劣不适宜人工操作的环境中的使 用要求，这就要求两轮自平衡机器人有高度的 自适应 自治能力。 然而由于非完整约束等具有较强非线性因素的影响，所以准确描述机器人运动的动力学方程复杂，经典成熟的线性近似及静态反馈理论不能应用于控制系统的设计。 在者由于两轮自平衡机器人内部空间狭小，为放置控制器和传感器带来不便，电机供电引线易发生缠绕现象。 因此，探索设计适用于两轮自平衡机器人的控制结构将为两轮自平衡机器人的广泛应用打下良好的基础。 3. 两轮自平衡机器人现阶段不能广泛应用的另外一个很重要的因素在于两轮自平衡机器人现阶段仅仅具有移动能力。 现阶段两轮自平衡 机器人缺乏操作执行能力是一个严峻的现实。 总的来讲，现阶段两轮自平衡机器人主要研究动态平衡过程中的运动控制问题，其关键是解决在机器人前进、后退、旋转等各种运动状态下，如何设计控制策略，保持车体系统的动态自平衡以及受干扰后能立即恢复平衡的问题。 因此两轮自平衡机器人系统的研究主要分为以下几个方面：机器人系统设计及建模；机器人自平衡算法研究；机器人导航与运动控制策略研究；机器人异常过程中定位控制策略研究；机器人能量优化控制策略研究等。 低重心式两轮车动力学建模与分析 –10– 课题的意义及研究的主要内容 两轮自平衡机器人的概念是在 20 世纪 90 年代末 提出的，是智能机器人领域中一个崭新的研究方向，与传统轮式移动机器人相比，它运动灵活、环境适应性强、能够方便地实现零半径回转，具有广阔的发展前景。 因此，及早开展该领域的研究，对于拓展机器人的应用范围、提高机器人的控制水平，追踪世界先进技术，提高国内两轮机器人的研究水平，扩展其应用领域具有重要的理论及现实意义。 动力学模型是对 低重心式两轮车 的准确描述。 建立 低重心式两轮车 的动力学模型有利于对 低重心式两轮车 的深入了解，通过数学的语言对 低重心式两轮车 的的运动特性、状态变化加以描述，也有利于研究交流，为建立 低重心式两轮 车 的统一模型做出贡献。 动力学模型和结构设计相结合是机器人研究的较新领域，通过这种研究有利于明确机器人的各部分结构的意义，可以提高其结构设计的规范性和目的性。 本论文将针对设计的新型 低重心式两轮车 进行动力学建模，以便为后续控制策略的研究打下坚实的基础。 本课题设计的这种 低重心式两轮车 是通过同一根轴线上的两个电机来实现该 低重心式两轮车 的驱动和转向两种运动方式。 该 低重心式两轮车 在设计上的一大亮点在于试图将磁流变液引入结构设计中，利用磁流变液通电时的物态变化来对配重进行主动控制。 因此本文将试图建立以左右驱动电机的转矩 和磁流变液的电 流 为输入，以球形机器人的质心，转角和配重的摆角为输出的动力学模型，并且通过 MATLAB仿真来验证所建立动力学模型的正确性与可靠性。 低重心式两轮车动力学建模与分析 –11– 2 低重心式两轮车样机介绍 引言 由于两轮自平衡机器人发展的历史相对来说比较短暂，其运动机理上也与以往机器人的实现方式有很大不同，所以尽管现在该类机器人的样机已经出现了很多，但是并不十分成熟和完善，很多设计形式正处在不断摸索之中。 目前很多性能良好的两轮自平衡机器人样机都是在不断的对以往设计方案进行改进，在总结成功的经验、失败的教训之后而提出来的。 在总结 和借鉴国内外现有各种两轮自平衡机器人和球形机器人构型的基础上，本章提出一种两电机同轴共线放置的构型方案，设计出 低重心式两轮车 的样机。 低重。