基于自抗擾控制算法的兩輪自平衡車(chē)分析

胡 建，顏鋼鋒

（浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

0 引 言

兩輪自平衡車(chē)屬于輪式機(jī)器人的范疇，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)靈活，特別適于在狹小和危險(xiǎn)的空間內(nèi)工作；同時(shí)由于它具有不穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)特性，是一個(gè)典型的倒立擺運(yùn)動(dòng)模型［1-3］，兩輪自平衡車(chē)成為驗(yàn)證各種控制算法的理想平臺(tái)，具有重要的理論意義。它的工作原理是:系統(tǒng)利用陀螺儀和加速度傳感器，檢測(cè)出車(chē)身的俯仰狀態(tài)以及狀態(tài)變化率，通過(guò)中央處理器計(jì)算并發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速向前或向后等動(dòng)作來(lái)保持車(chē)體的平衡。駕駛者只需通過(guò)前傾或后仰來(lái)控制車(chē)子的速度，通過(guò)轉(zhuǎn)向把手來(lái)控制左右的轉(zhuǎn)向。它屬于典型的非線性、時(shí)變、欠驅(qū)動(dòng)、非完整約束系統(tǒng)，解決它的控制問(wèn)題是其研究的關(guān)鍵。

本研究首先運(yùn)用牛頓動(dòng)力學(xué)分析的方法，對(duì)兩輪自平衡車(chē)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的分析，從而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，為控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供可靠的理論依據(jù)。筆者根據(jù)著名的解耦定理［4］，將系統(tǒng)解耦成平衡與轉(zhuǎn)向兩個(gè)子系統(tǒng)分別來(lái)控制。針對(duì)具有強(qiáng)非線性的前進(jìn)子系統(tǒng)，論證基于近似線性化、精確線性化及自抗擾控制控制策略的應(yīng)用可行性。利用Matlab中Simulink模型對(duì)自抗擾算法進(jìn)行仿真，并通過(guò)搭建的兩輪自平衡車(chē)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得期望的平衡效果，以驗(yàn)證該算法的正確性與有效性。

1 兩輪自平衡車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型

要定量、準(zhǔn)確地分析設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，認(rèn)識(shí)研究對(duì)象，提高控制能力，一定要建立控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。……