两轮平衡车控制系统的设计与研究

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1、分类号：TP273学校代码：10109密级：公开太原科技大学硕士学位论文（专业型）学位论文题目：两轮平衡车控制系统的设计与研究DesignandResearchonControlSystemofTwo英文题目：WheelBalancingVehicle研究生姓名：许亚朝导师姓名及职称：何秋生副教授培养单位：电子信息工程学院工程领域/专业：控制工程论文提交日期：2016年5月论文答辩日期：2016年6月8日答辩委员会主席：闫高伟教授论文独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文，是本人在导师指导下，独立进行研究所取得

2、的成果。除文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果。对本研究所做的任何贡献的个人或集体均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本声明产生的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：中文摘要中文摘要两轮平衡车是一个高度不稳定的非线性系统，其动力学方程也是一个多变量、不稳定、耦合、时变、参数不确定的非线性高阶方程，系统的控制任务具有多重性。因此，两轮平衡车成为检验各种控制算法控制能力和效果的典型模型装置。此外，建立在此基础上的平衡车系统的研究，使之能够适应复杂环境的导航、巡

3、视、避障等，在工业生产和社会生活中具有非常大的研究意义和应用潜力。本文以非载人自平衡的两轮平衡车为研究对象，对平衡车的姿态获取方法和平衡控制策略进行了研究，主要内容如下：1、对系统进行数学建模。用牛顿法对两轮平衡车进行运动学分析，推导平衡车系统的非线性模型，并在小角度内进行线性化处理，根据线性化模型对系统进行稳定性、能观性和能控性分析。2、针对传统Kalman滤波精度低，实时性差，易发散，并且对突变状态的处理能力差的问题，研究了一种改进的滤波算法对平衡车系统的多传感器数据进行融合，实时估计平衡车的最优倾角信息

4、。通过仿真验证改进滤波算法在多传感器信息融合中的可行性和优越性。3、为弥补数学模型的不准确性并适应平衡车运行环境的多变性，设计了模糊PD控制器对平衡车进行控制，结合传统PD控制算法和模糊控制理论各自的优点，将人工参数整定的经验加入到PD控制中，实现对PD控制算法参数的模糊整定。通过仿真验证该模糊PD算法的有效性和优越性。4、通过搭建的两轮平衡车实验装置对滤波算法和控制方法进行实验验证。通过车身搭载的蓝牙模块与上位机进行实时通信，观察不同情况下的车身角度信息，分析了滤波算法和控制策略在实际控制中的有效性。关键词

5、：两轮自平衡车；Kalman滤波；强跟踪滤波；模糊PD控制ABSTRACTABSTRACTTwowheelbalancingvehicleisahighlyunstablenonlinearsystem，anditsdynamicsequationisanonlinearhighorderequationwithmultivariables,instability,coupling,time-varyinganduncertainparametersandthecontroltaskofthesystemis

6、multiple.Asaresult,thetwowheelbalancingvehicleisatypicalmodelfortestingthecontrolcapabilityandeffectofvariouscontrolalgorithms.Inaddition,onthebasisoftheresearchofbalancevehicle,sothatitcanadapttothecomplexenvironmentofnavigation,inspection,obstacleavoidanc

7、e,etc.Intheindustrialproductionandsociallife,ithasgreatresearchsignificanceandapplicationpotential.Inthisthesis,theresearchontheattitudeacquisitionmethodsandthebalancecontrolstrategyofthenonmannedselfbalancedtwowheelvehicleisstudied.Themaincontentsareasfoll

8、ows:Firstly,establishingthemathematicalmodelofthesystemUsingNewton'smethodtoanalyzethemotionprocessoftwowheeledbalancingvehicle,andderivingthenonlinearmodelofthebalancedvehiclesystemandthelinearprocess