一种新型两轮自平衡小车的建模与控制

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1、分类号学号M200871661学校代码10487密级硕士学位论文一种新型两轮自平衡小车的建模与控制学位申请人：丁凤学科专业：模式识别与智能系统指导教师：黄剑副教授答辩日期：2012年01月11日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringModelingandControlofaNovelTwoWheeledSelf-BalanceVehicleSystemCandidate:FengDingMaj

2、or:PatternRecognitionandIntelligentSystemsSupervisor:Ass.Prof.JianHuangHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan430074,P.R.ChinaJan.,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完

3、全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论

4、文摘要本文介绍一种新型两轮自平衡小车UW-Car，本质上一类两轮智能机器人，主体结构类似于倒立摆系统，但它优于倒立摆系统，具有比倒立摆更大的运动自由度。它的下体部分是由两个同轴、左右平行分布的车轮的传统轮式倒立摆构成；上体由直线电机驱动的可移动座椅组成。车体的重心在两个车轮的上方，通过可移动座椅运动实现自平衡。自平衡小车具有体积小，质量轻，结构简单，能够与其他UW-Car共用一个车道、车库，低排放等特点，特别适合狭小空间的运载操作，但它固有的非线性、不稳定动力学性能，其控制难度非常大，控制算法复杂，本文在分析两轮自平衡小车的

5、发展和特点的基础上，通过对小车的机械结构分析，采用拉格朗日动力学方程的方法建立两轮小车的两维和三维动力学模型。在模型的基础上，得到小车在运动过程中的平衡点，通过设计滑模控制器，实现小车在直线运动和拐弯运动的速度控制。刹车系统是为了在技术上保证小车的安全行驶而在小车上安装的制动机制。在小车安全运动中扮演重要角色。本文针对自平衡小车特点提出一种最优刹车策略。采用离线遗传算法获得刹车过程滑模控制器的最优参数，通过三级滑模切换控制实现小车的最优刹车。为了验证理论分析，我们分别在MATLAB和动态物理引擎（ODE）仿真环境中实现小车速

6、度控制和最优刹车控制，仿真结果证明了动力学模型的正确性和滑模控制器的有效性。关键词：两轮自平衡小车滑模控制（SMC）MATLAB动态物理引擎（ODE）I华中科技大学硕士学位论文AbstractWeproposedanoveltwo-wheeledself-balancevehiclenamedUW-Car,whichisakindofintelligentrobotandsimilartoinvertedpendulumbutwithmoredegreeoffreedomandmuchsuperiortoit.Thenove

7、lstructureincludesatraditionalmobilewheeledinvertedpendulum(MWIP)systemwhichiscomposedoftwocoaxial,parallelwheelsdrivenbymotorsandamovableseatwhichcanbedrivenbyalinearmotoralongthestraightmovingdirection.Thecenterofgravityisabovethemiddleofwheels.Byadjustingthemove

8、mentoftheseat,thevehiclecanbeself-balanced.AUW-Carisprovidedwithsmallsize,lightweightandsimplestructureandoccupylessroominagarage,shareasinglelan