无人自行车的负载特性研究与分析

针对一种无机械平衡调节装置的无人自行车,基于查普雷金(Chaplygin)线性化动力学模型,分别采用全阶滑模控制方法和线性二次型调节器(Linear Quadratic Regulator,LQR)控制方法,研究负载的质量变化和竖直位置变化对无人自行车侧向平衡运动的影响问题。参考雅可比矩阵的方法,将无人自行车的查普雷金力学模型线性化处理,同时分别采用全阶滑模控制器和LQR控制器,按一定梯度改变负载质量和竖直位置,对无人自行车侧向平衡运动进行数值仿真和物理样机的实验研究,分析负载的质量和竖直位置对侧向平衡运动控制的影响规律。研究结果表明:若负载质量增加,车架横滚角和车把转角的超调量增大,车把力矩的超调量减小;若负载竖直向上移动,车架横滚角和横滚角速度的超调量均减小,车把转角速度和车把力矩的超调量均增大。研究结果可为无人自行车相关实验的电机型号和电池容量选用提供一定的参考。

无人自行车侧向平衡的全阶滑模控制器设计与分析

针对一种无机械调节器的无人自行车,设计一种全阶滑模控制器实现无人自行车在水平地面上的侧向平衡运动,并进一步分析该控制器在不同地形下的鲁棒性。首先引用线性变参数力学模型(Linear Variable Parameter,LPV),代入无人自行车的集总参数建立无人自行车的线性模型,然后基于Ackermann公式的设计方法来设计全阶滑模侧向平衡控制器,最后通过数值仿真和物理样机实验分析该全阶滑模控制器在不同地形下的鲁棒性。数值仿真和样机实验结果表明,无人自行车在水平地面能实现侧向平衡运动,并且在控制器结构和参数不变的条件下,能够进一步实现在一定坡度的路面以及凹凸不平的土地路面上的侧向平衡运动。该结果也说明了全阶滑模控制器具有一定的能够在不同地形下克服外部干扰的鲁棒性。