两轮自平衡电动车控制系统的设计与研究
目录
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2两轮自平衡电动车的研究现状 (2)
1.2.1国外研究现状 (3)
1.2.2国内研究现状 (5)
1.3目前两轮自平衡电动车研究存在的问题 (7)
1.3.1 姿态信息的获取 (7)
1.3.2 系统的控制策略 (7)
1.4本文研究的主要内容 (8)
第二章总体设计 (10)
2.1机械系统设计 (10)
2.1.1机械设计结构的参数 (10)
2.1.2整体结构设计 (10)
2.1.3悬挂系统的设计 (12)
2.2电气系统设计 (14)
2.2.1电气系统总体结构 (14)
2.2.2检测系统 (16)
2.2.2控制系统 (18)
第三章平衡车的数学模型 (20)
3.1 动力学模型 (20)
3.2 运动学模型 (25)
3.3 电机及其伺服机构模型 (26)
3.4系统解耦 (28)
第四章姿态传感器检测及其滤波 (31)
4.1 姿态传感器及其原理 (31)
4.1.1自平衡车的姿态描述 (31)
4.1.2捷联惯导定姿方法 (33)
4.1.3传感器定姿原理 (33)
4.2 自适应扩展卡尔曼滤波器 (35)
4.2.1卡尔曼滤波 (35)
4.2.2自适应扩展卡尔曼滤波 (36)
4.2.3自适应R矩阵 (38)
4.2.4实验与分析 (39)
第五章分层滑模控制器的设计 (44)
5.1 滑模控制思想 (44)
5.1.1 滑模变结构简介 (44)
5.1.2滑模控制基本原理 (45)
5.1.3 基于趋近律的滑模控制 (47)
5.1.4滑模控制的不变性和抖振现象 (48)
5.2分层滑模控制基本原理 (50)
5.3基于分层滑膜控制器的设计 (52)
5.3.1控制器的设计 (52)
5.3.2各层滑模面的稳定性分析 (54)
5.4系统仿真分析 (56)
第六章总结与展望 (61)
6.1主要工作回顾 (61)
6.2后续工作与展望 (62)
参考文献 (63)
个人简历在读期间发表的学术论文 (66)
感谢 (67)
第一章绪论
第一章绪论
1.1 引言
21世纪，地球的资源和环境面临着空前的严峻挑战。世界上各种环境污染的报道层出不穷，“雾霾”这个本有些晦涩的专业词汇现在变成了家喻户晓，如今也成为各大媒体总结的年度十大关键词之一。随着城市机动车拥有量的激增，空气污染由原先的煤烟型污染现已发展成以煤烟型污染与机动车尾气污染为主，其他污染为辅的混合污染[1]。
2014年12月29日18时起，全国七个实施汽车限购的城市中增加了深圳市。深圳市政府希望通过节能减排、环境保护的政策导向来调控机动车增量，从而加大新能源交通工具的推广应用，此举也彰显了深圳市在发展新能源交通工具方面的决心[2]。伴随着先进制造技术对环境保护、节能减排、循环制造和可持续发展的重视，激发了产品的安全性，绿色度和再利用以及装备的再制造等基础研究的开展。
正当人们为环境与交通问题而苦恼的时候，“电动车”在此背景下应运而生。“电动车”采用先进制造技术开发出绿色节能环保性机电产品，在未来的交通工具领域有着巨大的潜在商业价值。有一类“电动车”叫两轮自平衡电动车，是直立式两轮自平衡机器人在新能源交通工具中的机电一体化工程应用的重要成果。它改变了传统电动车的两轮前后布置，采用同轴线上的两轮并排固定方式，给驾驶者带来了别样的体验感受。作为一款绿色节能环保的机电产品，一年所消耗的电费只有41元人民币。易步科技公司的一位工程师曾做过一份能耗对比调查，如图1-1所示，通过这份调查显示了两轮自平衡电动车在节能环保方面表现出优越的性能[3]。
作为直立式两轮自平衡机器人家族中的重要一员，它对机器人学及其相关学科的科学实验和理论研究有着重要的价值。同时，两轮自平衡电动车具有灵活敏捷的机动性能和很小的占地面积等特点，可在许多特殊的环境中适用，也可以作为特殊运载工具、特殊运动器械、残疾人保障系统等，应用于现代社会的许多领域。