發(fā)布時間：2017-08-01 00:02

  本文關(guān)鍵詞：兩輪自平衡車軌跡跟蹤控制關(guān)鍵技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 兩輪自平衡車 零動態(tài) 滑�？刂� 狀態(tài)觀測器 模型預(yù)測控制

【摘要】：兩輪自平衡車憑借體積小,結(jié)構(gòu)簡單,運動靈活,耗能低等優(yōu)點,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,作為倒立擺系統(tǒng)的高級形式,自平衡車運動控制對于機(jī)器人學(xué)及相關(guān)控制學(xué)科具有重要研究價值。本文針對自平衡車在空間探測或無人駕駛時所面臨的軌跡跟蹤問題,綜合考慮各種實際情況展開研究。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)動前向運動問題。終端滑�？刂剖罐D(zhuǎn)向運動在有限時間內(nèi)迅速收斂,然后模型預(yù)測基于參考軌跡在線實時生成一條平滑期望軌跡,實現(xiàn)車輛對慣性坐標(biāo)系下任-軌跡的平滑跟蹤。其次,考慮車輛實際運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際問題,同時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。非線性擴(kuò)張觀測器能夠?qū)崟r估計系統(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車身穩(wěn)定程度,對模型不確定和外界干擾也具有很好的魯棒性,同時將控制器的適用性擴(kuò)展到無法利用傳感器獲取狀態(tài)信息等工況。各種仿真用來驗證所提出控制策略的有效性。
【關(guān)鍵詞】：兩輪自平衡車 零動態(tài) 滑�？刂� 狀態(tài)觀測器 模型預(yù)測控制
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U48
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-20
• 1.1 課題背景及研究意義9
• 1.2 國內(nèi)外兩輪自平衡車研究現(xiàn)狀9-16
• 1.2.1 國外兩輪自平衡車研究現(xiàn)狀9-14
• 1.2.2 國內(nèi)兩輪自平衡車研究現(xiàn)狀14-16
• 1.3 兩輪自平衡車控制技術(shù)研究16-18
• 1.4 本文的主要內(nèi)容及安排18-20
• 2 兩輪自平衡車機(jī)械結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型20-29
• 2.1 自平衡車的機(jī)械結(jié)構(gòu)20-22
• 2.2 自平衡車的數(shù)學(xué)建模與控制目標(biāo)22-26
• 2.3 自平衡車的零動態(tài)分析26-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 3 基于零動態(tài)穩(wěn)定的兩輪自平衡車預(yù)測規(guī)劃控制29-47
• 3.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)終端滑模控制29-31
• 3.2 欠驅(qū)動前向系統(tǒng)的零動態(tài)穩(wěn)定控制31-38
• 3.2.1 基于Olfati轉(zhuǎn)換的滑模穩(wěn)定控制32-37
• 3.2.2 線性二次型最優(yōu)穩(wěn)定控制37-38
• 3.3 模型預(yù)測軌跡規(guī)劃38-42
• 3.4 控制器對比仿真分析42-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 4 欠驅(qū)動兩輪自平衡車的模型預(yù)測控制47-58
• 4.1 飽和軌跡生成器48-50
• 4.2 基于反饋線性化模型的預(yù)測控制50-54
• 4.3 干擾環(huán)境下仿真分析54-57
• 4.4 本章小結(jié)57-58
• 5 基于擴(kuò)張觀測器的兩輪自平衡車魯棒預(yù)測控制58-73
• 5.1 擴(kuò)張觀測器設(shè)計59-62
• 5.2 動力學(xué)魯棒預(yù)測控制設(shè)計62-68
• 5.2.1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)魯棒控制63-65
• 5.2.2 欠驅(qū)動前向系統(tǒng)的模型預(yù)測控制65-68
• 5.3 三葉玫瑰軌跡跟蹤仿真分析68-72
• 5.4 本章小結(jié)72-73
• 結(jié)論73-75
• 參考文獻(xiàn)75-79
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文情況79-81
• 致謝81-82

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本文編號：601657