縱向雙輪平衡車滑模控制設計與仿真

趙明翰,周 郁,趙桂軍,張 樂,陳峻山,曹培培

（1.上海無線電設備研究所，上海 201109；2.上海機電工程研究所，上海 201109)

1 引言

自平衡車最早出現于1898年[1]，最初的結構是目前市面上最為流行的兩輪并行結構。近年來，隨著控制，建模以及硬件技術的快速發展，自平衡車的研究不僅僅局限于兩輪并行結構，開始更多的聚焦于自行車結構的自平衡車。對于自行車結構的自平衡車，其基本動力學模型可以按照倒立擺進行處理，在提供倒立擺回復力來維持車體平衡可以采用兩種方案：第一種是通過增加飛輪或力矩陀螺來維持其姿態穩定，這種結構可以在前進速度為零的情況下維持姿態穩定；另一種方案不增加額外的執行結構，通過調整前進速度和車把偏角來提供實現姿態穩定[2]，這種結構只能在運動中維持平衡。針對第一種結構的控制系統已經有了大量的成熟設計案例[3-6]，然而針對第二種結構的相關控制系統設計相對較少且控制器結構單一[7-10]。本文將利用滑?？刂破鱽磲槍Φ诙N結構的車體姿態平衡問題進行設計與仿真。

2 系統建模

2.1 動力學建模

我們做出如下假設。假設自行車圓周運動前進的線速度為ν0，對應的圓周運動半徑為r0，后輪中心到車體質心的長度為l1，后輪中心到前輪中心長度為l，自行車質心的線速度為v，自行車圓周運動圓心到車體質心的距離為r，前輪與車體的夾角為φ，后輪中心到質心對應的圓周角度為α，后輪中心到前輪中心對應的圓周角度為β，如圖1所示?！?br>