直立式雙輪自平衡運(yùn)動小車控制方法研究.pdf

1、本文旨在針對直立式雙輪自平衡小車的控制問題進(jìn)行研究，雙輪自平衡小車系統(tǒng)是多變量、強(qiáng)耦合、高度不穩(wěn)定，非線性的經(jīng)典控制理論模型，也是檢測各種控制算法優(yōu)劣的實(shí)驗(yàn)裝置，國內(nèi)外針對這一領(lǐng)域所進(jìn)行的研究具有重要的意義，無論是對于工業(yè)控制還是軍事領(lǐng)域自平衡小車的研究都起著舉足輕重的作用，因此自平衡小車的研究具有十分重要的理論研究價值；另外自平衡小車現(xiàn)今已被開發(fā)成一種交通工具，這種交通方式更為綠色環(huán)保，節(jié)能便捷，逐漸成為公園以及高爾夫球場不可或缺的交

2、通工具，因此它更具有實(shí)用價值。本文主要工作有以下幾個方面：
　　首先，根據(jù)研究要求對雙輪自平衡小車的硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計分為機(jī)械部分和控制系統(tǒng)兩部分，主要研究了控制器、檢測傳感器和電機(jī)及其驅(qū)動等模塊的工作原理和性能。
　　其次，根據(jù)運(yùn)動學(xué)和牛頓經(jīng)典力學(xué)的方法對小車系統(tǒng)進(jìn)行分析建立雙輪自平衡小車的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并從穩(wěn)定性、能控性、能觀性等方面對小車系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出自平衡小車系統(tǒng)是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)，但可以加入相應(yīng)的

3、控制方法對其進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)自平衡小車穩(wěn)定運(yùn)行。
　　再次，在已建立模型的基礎(chǔ)上，小車系統(tǒng)控制方法的選擇就成為關(guān)鍵。對比經(jīng)典的控制理論之后，本文選擇了更加適合的線性二次型最優(yōu)控制方法（LQR控制）對小車進(jìn)行自平衡控制，設(shè)計了LQR狀態(tài)反饋控制器，并針對LQR方法存在的問題提出了基于LQR控制的加權(quán)矩陣的最優(yōu)穩(wěn)定度方法和基于遺傳算法的LQR方法，通過這兩種優(yōu)化算法對傳統(tǒng)的LQR控制方法進(jìn)行優(yōu)化。
　　最后，基于前期的理論研究工作