兩輪自平衡車軌跡跟蹤控制關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、兩輪自平衡車憑借體積小，結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動靈活，耗能低等優(yōu)點(diǎn)，在智能交通、空間探測和家庭服務(wù)等領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。同時(shí)，作為倒立擺系統(tǒng)的高級形式，自平衡車運(yùn)動控制對于機(jī)器人學(xué)及相關(guān)控制學(xué)科具有重要研究價(jià)值。本文針對自平衡車在空間探測或無人駕駛時(shí)所面臨的軌跡跟蹤問題，綜合考慮各種實(shí)際情況展開研究。
　　首先，針對自平衡車自身機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的本質(zhì)不穩(wěn)定特性，利用零動態(tài)概念對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，通過反饋線性化和李雅普諾夫穩(wěn)定定理從控制原

2、理上闡述系統(tǒng)不穩(wěn)定的根源。本文對系統(tǒng)模型進(jìn)行Olfati轉(zhuǎn)換，解耦欠驅(qū)動耦合狀態(tài)變量，將模型轉(zhuǎn)化為零動態(tài)穩(wěn)定的嚴(yán)格前饋級聯(lián)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種考慮全局狀態(tài)的級聯(lián)滑?？刂平鉀Q車輛欠驅(qū)動前向運(yùn)動問題。終端滑?？刂剖罐D(zhuǎn)向運(yùn)動在有限時(shí)間內(nèi)迅速收斂，然后模型預(yù)測基于參考軌跡在線實(shí)時(shí)生成一條平滑期望軌跡，實(shí)現(xiàn)車輛對慣性坐標(biāo)系下任一軌跡的平滑跟蹤。
　　其次，考慮車輛實(shí)際運(yùn)動過程中受到不同干擾，以及執(zhí)行器飽和和車身傾角等約束問題，提出一種

3、基于預(yù)測控制的分層控制策略。外層飽和軌跡生成器在線生成虛擬有界期望速度，解決非完整約束，保證車輛軌跡跟蹤誤差全局收斂。然后預(yù)測控制作為動力學(xué)控制器，在反饋線性化模型基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化方法同時(shí)解決內(nèi)外干擾，輸入與狀態(tài)約束及欠驅(qū)動問題，并將預(yù)測優(yōu)化問題轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)的二次規(guī)劃問題，快速實(shí)現(xiàn)對生成的期望速度跟蹤與車身穩(wěn)定。
　　最后，針對車輛精確模型與速度信號難以獲取的實(shí)際問題，同時(shí)考慮各種干擾與約束，提出一種基于擴(kuò)張觀測器的魯棒預(yù)測控制。非線

4、性擴(kuò)張觀測器能夠?qū)崟r(shí)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和外界干擾，將狀態(tài)反饋擴(kuò)展到無速度信號下的輸出反饋，且干擾估計(jì)用于控制器前饋補(bǔ)償。魯棒預(yù)測控制綜合了自適應(yīng)滑模控制和模型預(yù)測控制。自適應(yīng)滑模控制用于轉(zhuǎn)向期望速度跟蹤，且自適應(yīng)律在線更新系統(tǒng)參數(shù)和估計(jì)誤差，提高控制器魯棒性。模型預(yù)測控制直接作用于非線性前向系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)前向期望速度跟蹤和車身穩(wěn)定，而無需進(jìn)行反饋線性化，降低了系統(tǒng)模型要求。
　　本文研究能顯著提高兩輪自平衡車在慣性坐標(biāo)系下軌跡跟蹤精度和