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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 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Modeling and Control of a Novel Two Wheeled Self-Balance Vehicle System C
2、andidate : Feng Ding Major : Pattern Recognition and Intelligent Systems Supervisor : Ass. Prof. Jian Huang Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074, P.R.China Jan., 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
3、已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，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。 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 本论文属于 华 中 科 技 大 学
4、硕 士 学 位 论 文 I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发展和特点的基础上，通过对
5、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。
6、 关键词 ：两轮自平衡小车 滑模控制（ SMC） MATLAB 动态物理引擎（ ODE） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract We proposed a novel two-wheeled self-balance vehicle named UW-Car, which is a kind of intelligent robot and similar to inverted pendulum but with more degree of freedom and much superior to it. The novel structure includ
7、es a traditional mobile wheeled inverted pendulum(MWIP) system which is composed of two coaxial, parallel wheels driven by motors and a movable seat which can be driven by a linear motor along the straight moving direction. The center of gravity is above the middle of wheels. By adjusting the moveme
8、nt of the seat, the vehicle can be self-balanced. A UW-Car is provided with small size, light weight and simple structure and occupy less room in a garage, share a single lane with another narrow vehicle and has lower emission. It is especially fit for working and moving in narrow space. But it is d
9、ifficult to design control law to control the UW-Car system because of the inherent nonlinear and uncertain of the UW-Car. Based on the research of the technology and development of the UW-Car and the analysis of the mechanism structure of UW-Car, the dynamic model of the underactuated system runnin
10、g on the flat ground is derived using Lagranges motion equation both in 2-dimension and 3-dimension space. A sliding mode control (SMC) scheme is chosen to realize the velocity control of UW-Car both in linear and turning motion. Braking system is used to ensure the safety while driving, which is on
11、e of the most important parts in UW-Car system. We proposed an optimal braking scheme which is implemented by switching three sliding mode controller. Genetic algorithm (GA) is adopted to search the optimal parameters for sliding mode controller. The proposed algorithms have been done both in MATLAB
12、 and open dynamic engine (ODE). The numerical simulations are provided to verify and illustrate the effectiveness of proposed approaches. Keywords: Two-Wheeled Self-Balance Vehicle Sliding Mode Control（ SMC） MATLAB Open Dynamics Engine（ ODE） 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III目 录 摘 要 .I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 两轮自平衡小车研究的背景与意义 . 1 1.2 两轮自平衡小车研究的国内外现状 . 3 1.3 两轮自平衡小车的控制方法 . 6 1.4 实验仿真环境 . 7 1.5 本文研究的内容和结构 . 9 2 新型自平衡小车的动力学模型 . 11 2.1 简介 . 11 2.2 自平衡小车二维动力学模型 . 12 2.3 两轮自平衡小车三维动力学模型 . 15 2.4 本章小结 .
