车辆工程毕业论文84686063

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.大连理工大学本科毕业设计XXXX大学本科毕业设计（论文）低重心式两两轮车动动力学建建模与分分析Dynammic Moddeliing andd Annalyyzinng oof aa Twwo-wwheeeledd Veehiccle witth LLoweer-ggravvityy学 院（系系）： 汽车工工程学院院 专 业： 车辆工工程 学 生 姓姓 名： 刘德春春 学 号： 220066730003 指 导 教教 师： 岳岳明 评 阅 教教 师： 陈广义

2、义 完 成 日日 期： 20110.66.8 大连理工大大学Daliaan UUnivverssityy off Teechnnoloogy- PAGE II - PAGE II -摘 要随着科学技技术的迅迅速发展展，移动动机器人人得到越越来越多多的关注注。两轮轮自平衡衡机器人人作为一一种典型型的轮式式移动机机器人，具有适应环境能力强，移动和转向灵活方便、运动效率高、能量损耗小等特点，能够完成多轮机器人无法完成的复杂运动及操作，特别适用于工作环境变化大、任务复杂的场合，因此自平衡两轮机器人在工业、民用、军事以及太空探索等领域具有广泛的应用前景。但是，由于两轮自平衡机器人属于非完整约束、欠驱动系

3、统，具有多变量、非线性和欠驱动的特点，因此其动力学方程复杂，控制系统设计难度大，限制了该类机器人的发展。本文在总结结现有各各种两轮轮自平衡衡机器人人样机构构型的基基础之上上，提出出一种新新型的两两轮自平平衡机器器人构型型方案低重重心式两两轮车，该该两轮车车能够进进行全方方位行走走，运动动速度快快，零转转弯半径径，具有有灵活的的运动能能力。不不同于倒倒立摆式式的设计计结构，由由于采用用下垂摆摆式的结结构，因因此该两两轮车系系统具有有本质稳稳定性。针对一般两轮车车体产生的震荡现象，我们提出采用磁流变效应的原理，对车体震荡现象进行主动抑制。通过对低重心式两轮车的运动规律，转向机理进行分析，建立了低重

4、心式两轮车的动能、势能和磁流变阻力矩的数学模型，进而利用拉格朗日方程建立了低重心式两轮车的动力学模型，为低重心式两轮车控制策略的设计提供了理论依据。最后利用MMATLLAB对对得到的的动力学学模型进进行了仿仿真分析析，以获得期期望的低低重心式式两轮车车的位移移、速度度、摆角角的实验验曲线。通通过分析析仿真数数据验证证了建立立的动力力学模型型正确性性与有效效性。关键词：两两轮车；非完整整约束；动力学学建模；拉格朗朗日乘子子法- PAGE IX -Dynammic Moddeliing andd Annalyyzinng oof aa Twwowheeeleed VVehiiclee wiith

5、Loww-grraviityAbstrractt With thee deevellopmmentt off thhe sscieencee annd ttechhnollogyy, mmoree atttenntioon foccus on thee moobille rroboot. As a kkindd off whheelled mobbilee roobott, ttwo-wheeeleed sselff-baalanncedd roobotts hhavee thhe ccapaabillityy too addaptt thhe ccompplexx siituaatioons

6、. It ccan movve aand shiift fleexibbiliity. Theerefforee, ttwo-wheeeleed sselff-baalanncedd roobott caan pperfformm sevveraal rrounnds of thee coompllicaatedd mootioon wwhicch tthe mullti-wheeeleed rroboot ccan nott acchieeve, esspecciallly in thee chhanggefuul eenviironnmennt ssuchh ass sppacee exx

7、ploorattionn, ttopoograaphiic rrecoonnaaisssancce aand traanspporttatiion of danngerrouss gooodss. SSo iit iis ssuittablle forr deetecctinng in narrroww annd ddanggeroous spaace andd haas aa wiide forregrrounnd bbothh inn ciivilliann annd sspacce eexplloree. Butt twwo-wwheeeledd seelf-ballancced rob

8、bot hass muultii-vaariaablee, nnon-linnearr annd pparaametter unccerttainnty chaaraccterristticss. TTherrefoore, thhe ddynaamicc eqquattionn iss quuitee coompllex andd itt iss diiffiicullt tto ddesiign a cconttroll syysteem .Botth oof tthe neggatiive facctorrs limmiteed tthe devveloopmeent of succh

9、rroboots.Basedd onn suummaarizzatiionss off thhe ppressentt twwo-wwheeeledd seelf-ballancced robbot in vieew oof sstruuctuure, a neww twwo-wwheeeledd seelf-ballancced robbot hass beeen proopossed. Thhat is Twoo-whheelled Vehhiclle wwithh Loow ggravvityy. TTwo-wheeeleed VVehiiclee wiith Loww grraviit

10、y is chaaraccterrizeed bby rappid mottionn, iit ccan botth rrun in omnni dirrecttionn annd tturnn wiith zerro rradiius. Thee deesiggn oof tthe strructturee iss diiffeerennt ffromm thhe iinveerteed ppendduluum. Due to adoopt thee sttruccturre oof hhangged ppendduluum, thee twwo wwheeeledd veehiccle w

11、itth llow graavitty hhas thee naaturre oof sstabbiliity. In ordder to adddresss tthe vibbrattionn phhenoomennon whiich is genneraallyy exxistted in thee twwo wwheeeledd veehiccle, we ppropposee a metthedd too usse tthe priinciiplee off maagneetorrheoologgicaal eeffeect on thee boody to supppreess th

12、ee shhockk phhenoomenna. Thiis ppapeer aanallyzees tthe laww off mootioon aand steeeriing mecchannismm off thhe ttwo-wheeeleed vvehiiclee wiith loww grraviity. Thhrouugh anaalyssis of robbot in dettaill, we get robbots mmodeel oof kkineeticc ennerggy aand pottenttiall ennerggy. Twoo-whheelled sellf-

13、bbalaanceed rrobootss dyynammic moddel is eestaabliisheed bby uusinng LLagrrangge equuatiion, andd itt wiill proovidde aa thheorretiicall baasiss foor tthe conntroolleer ddesiign.Simullatiion is devveloopedd deerivved dynnamiic mmodeel aabovve uusinng MMATLLAB to proove thee efffecctivveneess. At la

14、sst wwe oobtaain thee deesirred expperiimenntall cuurvee off thhe ddispplaccemeent, veeloccityy, ttiltt annglee off thhe ttwo wheeeleed vvehiiclee wiith lowwer-graavitty. Thee annalyysiss off thhe ssimuulinnk rresuultss aree connducctedd too ennsurre tthe vallidiity andd effficcacyy off thhe pproppo

15、seed ddynaamicc moodell.Key WWordds：TTwo-wheeeleed VVehiiclee；Noonhoolonnomiic；Dynnamiic MModeel; Laggrannge mulltipplieer目 录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc263784677 摘 要 PAGEREF _Toc263784677 h I HYPERLINK l _Toc263784678 Abstrractt PAGEREF _Toc263784678 h II HYPERLINK l _Toc263784679 1 文献献综述 PAGER

16、EF _Toc263784679 h 1 HYPERLINK l _Toc2637846880 1.11 课课题背景景 PAGEREF _Toc263784680 h 1 HYPERLINK l _Toc263784681 1.2 两轮自自平衡机机器人的的研究现现状 PAGEREF _Toc263784681 h 2 HYPERLINK l _Toc263784682 1.2.11 两轮轮自平衡衡机器人人的国外外研究现现状 PAGEREF _Toc263784682 h 2 HYPERLINK l _Toc263784683 1.2.22 两轮轮自平衡衡机器人人国内研研究现状状 PAGEREF

17、 _Toc263784683 h 5 HYPERLINK l _Toc263784684 1.3典型型两轮自自平衡机机器人系系统性能能分析与与比较 PAGEREF _Toc263784684 h 7 HYPERLINK l _Toc263784685 1.4两轮轮自平衡衡机器人人研究发发展趋向向 PAGEREF _Toc263784685 h 9 HYPERLINK l _Toc263784686 1.55课题的的意义及及研究的的主要内内容 PAGEREF _Toc263784686 h 10 HYPERLINK l _Toc263784687 2 低重心心式两轮轮车样机机介绍 PAGEREF

18、 _Toc263784687 h 11 HYPERLINK l _Toc263784688 2.1 引引言 PAGEREF _Toc263784688 h 11 HYPERLINK l _Toc263784689 2.2 低低重心式式两轮车车构型设设计介绍绍 PAGEREF _Toc263784689 h 11 HYPERLINK l _Toc263784690 2.3低重重心式两两轮车磁磁流变阻阻尼器减减震设计计 PAGEREF _Toc263784690 h 12 HYPERLINK l _Toc263784691 2.3.11 磁流流变液 PAGEREF _Toc263784691 h

19、12 HYPERLINK l _Toc263784692 2.3.22 剪切式式磁流变变旋转阻阻尼器的的结构及及其工作作原理 PAGEREF _Toc263784692 h 13 HYPERLINK l _Toc263784693 2.4低重重心式两两轮车运运动机理理分析 PAGEREF _Toc263784693 h 14 HYPERLINK l _Toc263784694 2.4.11 低重重心式两两轮车前前向运动动机理分分析 PAGEREF _Toc263784694 h 14 HYPERLINK l _Toc263784695 2.4.22 低重重心式两两轮车转转向运动动机理分分析 P

20、AGEREF _Toc263784695 h 15 HYPERLINK l _Toc263784696 2.5 本本章小结结 PAGEREF _Toc263784696 h 16 HYPERLINK l _Toc263784697 3 基于拉拉格朗日日方程的的系统动动力学建建模 PAGEREF _Toc263784697 h 17 HYPERLINK l _Toc263784698 3.1 引引言 PAGEREF _Toc263784698 h 17 HYPERLINK l _Toc263784699 3.2典型型的动力力学建模模方法 PAGEREF _Toc263784699 h 17 HY

21、PERLINK l _Toc263784700 3.3低重重心式两两轮车动动力学建建模的理理论基础础 PAGEREF _Toc263784700 h 19 HYPERLINK l _Toc263784701 3.3.11 非完完整系统统概述 PAGEREF _Toc263784701 h 19 HYPERLINK l _Toc263784702 3.3.22 广义坐坐标与约约束力 PAGEREF _Toc263784702 h 19 HYPERLINK l _Toc263784703 3.3.33 基本本形式的的拉格朗朗日方程程 PAGEREF _Toc263784703 h 20 HYPER

22、LINK l _Toc263784704 3.4 低低重心式式两轮车车动力学学建模的的假设条条件 PAGEREF _Toc263784704 h 23 HYPERLINK l _Toc263784705 3.5 低低重心式式两轮车车动力学学建模的的系统坐坐标系 PAGEREF _Toc263784705 h 24 HYPERLINK l _Toc263784706 3.6 低低重心式式两轮车车约束力力模型 PAGEREF _Toc263784706 h 24 HYPERLINK l _Toc263784707 3.7 低低重心式式两轮车车动能模模型 PAGEREF _Toc263784707

23、h 25 HYPERLINK l _Toc263784708 3.7.11低重心心式两轮轮车的车车轮动能能模型 PAGEREF _Toc263784708 h 25 HYPERLINK l _Toc263784709 3.7.22低重心心式两轮轮车的配配重动能能模型 PAGEREF _Toc263784709 h 28 HYPERLINK l _Toc263784710 3.8低重重心式两两轮车的的势能模模型 PAGEREF _Toc263784710 h 28 HYPERLINK l _Toc263784711 3.9低重重心式两两轮车的的磁流变变阻尼力力矩模型型 PAGEREF _Toc2

24、63784711 h 29 HYPERLINK l _Toc263784712 3.9.11剪切式式磁流变变液阻尼尼器磁场场诱导阻阻尼力矩矩的计算算 PAGEREF _Toc263784712 h 29 HYPERLINK l _Toc263784713 3.9.22剪切式式磁流变变液阻尼尼器粘性性阻尼力力矩的计计算 PAGEREF _Toc263784713 h 29 HYPERLINK l _Toc263784714 3.10低低重心式式两轮车车完整动动力学模模型 PAGEREF _Toc263784714 h 30 HYPERLINK l _Toc263784715 3.11低低重心式式

25、两轮车车的完整整动力学学模型的的处理 PAGEREF _Toc263784715 h 33 HYPERLINK l _Toc263784716 3.12本本章小结结 PAGEREF _Toc263784716 h 35 HYPERLINK l _Toc263784717 4 低重心心式两轮轮车MAATLAAB仿真真 PAGEREF _Toc263784717 h 36 HYPERLINK l _Toc263784718 4.1 引引言 PAGEREF _Toc263784718 h 36 HYPERLINK l _Toc263784719 4.2 低低重心式式两轮车车MATTLABB仿真分分析

26、 PAGEREF _Toc263784719 h 36 HYPERLINK l _Toc263784720 4.3 低低重心式式两轮车车MATTLABB仿真模模型 PAGEREF _Toc263784720 h 37 HYPERLINK l _Toc263784721 4.4 低低重心式式两轮车车前向运运动仿真真分析 PAGEREF _Toc263784721 h 38 HYPERLINK l _Toc263784722 4.5 低低重心式式两轮车车零半径径转向运运动仿真真分析 PAGEREF _Toc263784722 h 40 HYPERLINK l _Toc263784723 4.6 低

27、低重心式式两轮车车任意半半径转向向运动仿仿真分析析 PAGEREF _Toc263784723 h 42 HYPERLINK l _Toc263784724 4.7 磁磁流变阻阻尼仿真真分析 PAGEREF _Toc263784724 h 44 HYPERLINK l _Toc263784725 4.8 本本章小结结 PAGEREF _Toc263784725 h 47 HYPERLINK l _Toc263784726 结 论 PAGEREF _Toc263784726 h 48 HYPERLINK l _Toc263784727 参 考 文文 献 PAGEREF _Toc263784727

28、 h 49 HYPERLINK l _Toc263784728 致 谢 PAGEREF _Toc263784728 h 50 PAGE 2 PAGE 801 文献献综述1.1 课题背背景随着科学技技术的发发展和人人类活动动范围的的扩大，机机器人特特别是移移动机器器人在太太空探索索、军事事、工业业、消防防、反恐恐等领域域中的应应用越来来越广泛泛。轮式式机器人人由于具具有运动动平稳、容容易控制制，转向向灵活的的优点，从机器器人研究究伊始就就吸引了了众多研研究人员员的目光光。在轮式机器器人工作作过程中中可能会会遇到工工作区域域狭窄、路路面不平平等复杂多多变的工作环环境在这这种情况况下要求求两轮车车经

29、常转转向，如如何在这这样复杂杂多变的的环境里里灵活快快捷的完完成任务务，使机机器人不不但能够够适应特特定的环环境及任任务需求求，而且且在动态态变化的的复杂未未知环境境中也能能够体现现出高度度的灵活活适应性性，成为为一个值值得重点点研究的的课题。在这种应用用背景下下两轮自自平衡机机器人应应运而生生。在结结构上两两轮自平平衡机器器人系统统的两个个车轮位位于同一一轴线上上，同时两两个车轮轮分别由由直流伺伺服电机机独立驱驱动，通通过运动动保持动动态自平平衡。两两轮自平平衡机器器人作为为一个新新兴的研研究方向向，结合合了轮式式与自主主移动机机器人的的特点，为为传统的的机器人人技术注注入了新新的生机机与活

30、力力。与传传统的轮轮式移动动机器人人相比，两两轮自平平衡机器器人具有有在以下下方面展展现出极极大的优优势：转弯半径为为零：机机器人能能绕机器器人本体体中心旋旋转，因因此有利利于在狭狭窄场所所改变方方向，可可以在小小空间范范围灵活活运动，移移动轨迹迹更为灵灵活易变变，弥补补了传统统多轮机机器人布布局的缺缺点。驱动功率比比较小，相同的的能量能能够行使使更长的的里程。无刹车系统统：两轮轮自平衡衡机器人人由CPPU控制制左右车车轮的输输出力矩矩，从而而达到快快速稳定定的刹车车效果，控控制极其其方便。与与此同时时两轮自自平衡机机器人在在控制方方面也表表现出起起动方便便、前进进自如的的特点。应用场合广广泛

31、：可可应用于于步行街街、广场场等汽车车无法通通行、步步行不便便的场合合。从以上分析析我们可可以看出出相较于于传统的的移动机机器人，两轮自平衡机器人适应环境能力强，两轮自平衡机器人体积小、运动灵活、适应地形变化能力强、能够方便地实现零半径回转、鲁棒性强、适于在狭小和危险的工作空间内活动、能够胜任一些复杂环境里的工作。因此，两轮自平衡机器人在工业、民用、军事以及太空探索等领域都具有广泛的应用前景。此外，由于微电子技术、计算机技术、控制技术、电源技术、驱动技术、传感器技术的不断进步，为两轮自平衡机器人技术提供了坚实的理论基础并极大的降低了研制成本，有力地推动了两轮自平衡机器人由理论研究向工程实践发展

32、。与此同时，由于两轮自平衡机器人属于非完整约束、欠驱动系统，因此也存在控制系统复杂的缺点。因此对两轮自平衡机器人建立动力学模型，然后寻找控制方式的优化策略成为当前机器人研究中的一大热点。与其它移动动机器人人相比,两轮自自平衡机机器人由由于结构构形状和和实际应应用中表表现出很很多独特特的优势势,所以以从该类类机器人人出现以以来,迅迅速得到到各国机机器人研研究人员员的广泛泛关注，吸吸引了越越来越多多的研究究人员投投入到两两轮自平平衡机器器人的研研究之中中。1.2 两轮自自平衡机机器人的的研究现现状最早提出两两轮自平平衡机器器人构想想的是日日本的KKazuuo YYamaafujji教授授。近几几年

33、，随随着两轮轮自平衡衡机器人人的研究究不断开开展，该该项技术术开始成成为全球球机器人人控制技技术的研研究热点点之一。美美国、日日本、瑞瑞士和法法国的研研究机构构及公司司相继开开始了这这方面的的应用研研究，已已经在系系统设计计与实现现、建模模、自平平衡策略略、运动动规划等等方面取取得了进进展。目目前，国国内关于于两轮自自平衡机机器人的的研究处处于起步步阶段。现阶段段主要针针对机器器人建模模与实验验原型机机的研制制进行研研究。下下面，首首先对现现有的两两轮自平平衡机器器人系统统进行介介绍。1.2.11 两轮自自平衡机机器人的的国外研研究现状状1996年年，日本本Tsuukubba大学学的Naaoj

34、ii Shhirooma等等人在前前人设计计的基础础上提出出了使用用倒立摆摆原理构构造两轮轮车的想想法并且且设计了了多个两两轮倒立立摆机器器人合作作运输重重物。在在试验中中通过操操作者的的干预和和操作者者手指的的协助成成功地实实现了物物体搬运运。图11-1是他们设设计的搬搬运物体体的两轮轮倒立摆摆机器人人的样机机模型。在这一模型当中通过人和轮式倒立摆机器人合作组成的系统实现了物体搬运的功能。在该系统控制设计中姿态测量采用陀螺仪，机器人由一个电机驱动因此只能实现直线运动。在控制算法上机器人在优化极点配置的基础上，利用状态反馈算法得到搬运物体时所需抵抗外力的数值。 图11-1 两轮轮倒立摆摆机器人

35、人2002年年，来自自美国的的研究学学者Daan PPipooni设设计了如如图1-2所示的的两轮自自平衡机机器人EEquiibott。他所涉涉及的两两轮自平平衡机器器人工作作原理与与Leggwayy类似，所所不同的的是它采采用灵敏敏红外线线测距仪仪作为传传感器。这这种机器器人的一一个比较较明显的的局限是是只适用用于比较较平坦的的路况。一旦路路面不平平坦或者者路面情情况特别别不好的的情况出现现，该机器人人就会跌倒倒造成无法法正常行行走的情情况。该机器器人的另另外一个个比较明明显的缺缺陷是其其动力分分配不够够准确，造成对电动机进行驱动所消耗的电流会导致传感器测量不准确。 图1-2 机器器人Eqq

36、uibbot 2003年年，西澳澳大利亚亚大学的的R.CC.Oooi完成成了平衡衡两轮自自主移动动机器人人的论文文，该机器人人样机模模型如图图1-33所示。该该机器人人样机为为研究多多传感器器数据融融合和卡卡尔曼滤滤波提供供了测试试完美的的测试平平台。与与此同时时它还可可以作为为测试倒倒立摆系系统的不不稳定性性和极点配配置算法法等线性性控制理理论提供供了理想想的研究究平台。该机器人在系统建模时充分考虑了电机模型对系统动力学性能的影响，感知系统采用陀螺仪和倾角计，通过LQR、极点配置法实现了机器人的平衡。R.C.Ooi的一个创新就是从理论上提出了PID参数、滤波器参数的调节规律，并经过实验验证，

37、从而保证了控制系统、数据处理系统可靠、准确的工作。 图1-3 可移动动机器人人2002年年，法国国Vallencciennness大学的的H.TTirmmantt、M.BBalooh等人人将两轮轮机器人人的概念念应用到到城市自自主出租租汽车BB2中，并且且提出了了两种可可供选择择的控制制方法：一种是是标准的的线性控控制法。在动态态平衡点点的设计计中忽略略一些干干扰等非非线性因因素从而而通过使使电机输输出最小小的力矩矩保持机机器人的的动态平平衡；另外一种控制制方法是是平行分分布补偿偿法，HH.Tiirmaant、M.BBalooh在控控制中引引入了TTS模糊糊模型，建建模时考考虑了一一些非线线性

38、因素素因而能够够给出比比较精确确的非线线性表示示的数学学模型。经经过实验验可以发发现其平平衡效果果比较好好，但是也牺牲了了实时性性。如果模模糊控制制稳定性性评价标标准增加加，控制制规则将将呈几何何级数增增加。BB2的体体积只有有普通轿轿车的十十分之一一，占用用城市空空间小。而而且从汽汽车发展展的角度度看，BB2在能能量效率率方面极极具竞争争力，减减少了污污染与交交通堵塞塞，符合合现代社社会运输输的需求求，增加加了城市市的活力力。B22的结构构如图11-4所示。 图1-4 两轮轮城市自自主出租租车 2002年年，美国国Leggo公司司的工程程师Stevve HHasssenpplugg设计了了如

39、图11-5所示的的两轮自自平衡传传感式机机器人LLegwway。设设计中引入了了电机的的差动驱驱动方式式,它可可以工作作在倾斜斜面甚至至不规则则表面上上，并可可遥操作作。通过过对电动动机进行行遥控，Legway可以在前行，退行或者转弯时保持平衡。它可以实现零半径转向运动和U型回转运动。图1-5 移动动机器人人Leggwayy1.2.22 两轮轮自平衡衡机器人人国内研研究现状状香港中文大大学的徐徐扬生教教授，在在20世世纪900年代曾曾经设计计过一种种名为“Gyrroveer”的独轮轮车，如如图1-6所示。GGyrooverr在外形形上属于于椭球形形，在运运动方式式上以前前向滚动动为主，驱驱动力

40、矩矩来源于于偏心力力矩，应应用陀螺螺效应实实现其转转向。图1-6 移动动机器人人Gyrroveer2005年年，西安安电子科科技大学学叶聪红红、徐文文龙等研研制出如如图1-7所示的的带有两两个随动动轮的两两轮驱动动小车。在控制算法上一个比较鲜明的特点就是在环境信息完全已知的情况下，实现了两轮小车期望的路径规划。并且通过速度反馈和位置反馈，提高了两轮车的抗干扰能力。图1-7 电子子科大两两轮车2004年年，中国国科技大大学段旭旭东、魏魏衡华等等模仿机机器人JJoe设设计了如如图1-8所示的的二轮小小车-倒倒立摆系系统，并并针对系系统建模模过程中中可能出出现的不不确定性性以及噪噪声问题题进行了了研

41、究。根根据系统统的动态态特性，通通过经典典牛顿力力学原理理建立了了系统在在斜坡上上的的动动态模型型。采用用鲁棒控控制算法法，保证证了系统统的动态态和稳态态性能。在在控制结结构上通通过采用用无限冲冲激响应应（IIIR）数数字滤波波的方法法来抑制制陀螺仪仪的噪声声，减少少了陀螺螺仪的测测量误差差。但是是在受力力分析过过程中没没有考虑虑外界的的扰动力力，在建建模过程程中忽略略了滑动动摩擦力力、车体体与车轮轮之间的的摩擦力力矩。通通过加速速度计对对角度进进行校正正的效果果不好，没没能从根根本上克克服陀螺螺仪噪声声引起的的零点漂漂移问题题。图1-8 两轮轮倒立摆摆小车1.3典型型两轮自自平衡机机器人系系

42、统性能能分析与与比较通过对两轮轮自平衡衡机器人人的研究究现状进进行分析析，我们们可以发发现不同同类型的的两轮自自平衡机机器人，其其机械结结构、工工作原理理、传感感器选择择、处理理器数量量、元器器件布局局及控制制算法都都存在着着很大差差异。同时通过对对两轮自自平衡机机器人的的研究我我们可以以发现现现有的两两轮自平平衡机器器人主要要分为倒倒立摆式式（集中中式）和和质量均均布式（堆堆叠式）。倒倒立摆式式机器人人质量主主要集中中在车轴轴和摆杆杆顶端，有有一定长长度的摆摆杆，设设计时可可以充分分借鉴倒倒立摆的的研究成成果，但但是扩展展空间相相对有限限；质量量均布式式机器人人采用分分层布置置的思想想，将元

43、元器件按按照功能能逐层布布置，降降低了机机器人的的高度，提提高了运运动灵活活性，结结构层次次清晰，扩扩展功能能方便。但是同时我我们也可可以看到到现有的的两轮自自平衡机机器人的的质心主主要是分分布在两两轮车的的上部，因因此现有有的两轮轮自平衡衡机器人人均可以以称为高高重心两两轮自平平衡机器器人，现现阶段两两轮自平平衡机器器人高重重心分布布的主要要原因一一方面是是为了设设计时可可以充分分借鉴倒倒立摆的的研究成成果，另另一方面面是由于于现阶段段两轮自自平衡机机器人的的使用上上主要还还是需要要与操作作者的交交互。操操作者在在使用现现有两轮轮自平衡衡机器人人时可以以站在两两轮自平平衡机器器人的上上面，适

44、适应高重重心自平平衡的要要求。但但是另一一方面在在空间探探索以及及一些不不适宜人人工操作作的恶劣劣环境下下，现有有两轮自自平衡机机器人则则存在着着明显的的不足，因因此在机机器人研研究中针针对自适适应性高高智能性性的要求求，众多多研究者者开发出出了一系系列低重重心机器器人，其其中比较较有代表表的低重重心机器器人就是是球形机机器人。2005年年，瑞典典乌普萨萨拉大学学的布鲁鲁恩等人人研制出出了一种种用于星星球探测测的球形形机器人人SMIIPS。该机机器人由由一根长长轴和一一个配重重块组成成。它有有两个驱驱动电机机:一个个电机驱驱动长轴轴转动，另另一个电电机驱动动配重块块在与长长轴的同同一平面面上摆

45、动动。这两两种运动动的合成成实现了了球形机机器人的的全方位位运动。该该球形机机器人的的结构简简图如图图1-99所示图1-9 球形形机器人人另外还有一一种介于于两轮自自平衡机机器人和和球形机机器人之之间的机机器人，它它由两个个半球组组成，并并可以分分别独立立控制，如图1-10所示。电机驱动安装在球形机器人的底部，通过调节电机的转速来改变机器人的运动速度。当机器人转弯时，将一个电机的速度减小即可实现。两个半球体之间的空隙可以用来安装多种传感器，这种结构失去了传统球形机器人的封闭特性，但同时也具有两轮自平衡机器人的一些优点与特性。图1-100 介于于球形机机器人和和两轮自自平衡机机器人之之间的机机器

46、人图1-111为美国国国防局研研究的SSuboot机器器人。Subbot机机器人吸吸收了两两轮自平平衡机器器人和球球星机器器人的双双重优点点因而在在形状上上兼具两两轮车和和球形机机器人的的特征。Subot机器人的两个半球壳充当轮子分别由电机单独驱动。图1-100 机机器人SSuboot结构构图通过对机器器人构型型研究现现状的分分析，可可以发现现当前开开发的大大多数机机器人主主要是利利用驱动动配重沿沿着与球球体固连连的轮辐辐运动或或轴改变变配重重重心来实实现行走走，配重型型驱动型型机器人人能以零零转弯半半径向任任意方向向运动，与与传统的的轮式驱驱动机器器人相比比，其行行走方式式有了本本质的改改进

47、。因因此本课课题通过过参考两两轮自平平衡机器器人和球球形机器器人的各各种模型型与样机机，力主主设计一一种新型型的配重重驱动型型两轮自自平衡机机器人低重重心式两两轮车，以以此扩大大传统两两轮自平平衡机器器的使用用范围并并增强其其智能性性和自适适应性。1.4两轮轮自平衡衡机器人人研究发发展趋向向我们看到虽虽然目前前已经存存在很多多两轮自自平衡机机器人的的制造样样机，但但是能真真正应用用于实际际工程项项目和实实践应用用的并不不多，产产生这种种情况的的主要原原因有以以下几点点：1. 由于于两轮自自平衡机机器人的的特殊构构型以及及非完整整约束问问题，其其研究难难度较大大。目前前两轮自自平衡机机器人在在结

48、构设设计方面面的研究究尚不成成熟，很很多课题题有待进进一步的的探索和和完善。当当前还没没有一套套成熟的的两轮自自平衡机机器人结结构设计计体系，机机器人的的许多结结构参数数尚需完完善。两两轮自平平衡机器器人的结结构设计计与其运运动学和和动力学学的研究究独立进进行，还还较少将将动力学学的研究究成果应应用在两两轮自平平衡机器器人的结结构设计计当中。2. 两轮轮自平衡衡机器人人研究的另另一个难难题就是是控制难难问题。由由于现阶阶段开发发的两轮轮自平衡衡机器人人有应用到到空间探探测等无无人环境境以及某某些环境境恶劣不不适宜人人工操作作的环境境中的使使用要求求，这就就要求两两轮自平平衡机器器人有高高度的自

49、自适应自自治能力力。然而而由于非非完整约约束等具具有较强强非线性性因素的的影响，所所以准确确描述机机器人运运动的动动力学方方程复杂杂，经典典成熟的的线性近近似及静静态反馈馈理论不不能应用用于控制制系统的的设计。在在者由于于两轮自自平衡机机器人内内部空间间狭小，为为放置控控制器和和传感器器带来不不便，电电机供电电引线易易发生缠缠绕现象象。因此此，探索索设计适适用于两两轮自平平衡机器器人的控控制结构构将为两两轮自平平衡机器器人的广广泛应用用打下良良好的基基础。3. 两轮轮自平衡衡机器人人现阶段段不能广广泛应用用的另外外一个很很重要的的因素在在于两轮轮自平衡衡机器人人现阶段段仅仅具具有移动动能力。现

50、阶段两轮自平衡机器人缺乏操作执行能力是一个严峻的现实。总的来讲，现阶段两轮自平衡机器人主要研究动态平衡过程中的运动控制问题，其关键是解决在机器人前进、后退、旋转等各种运动状态下，如何设计控制策略，保持车体系统的动态自平衡以及受干扰后能立即恢复平衡的问题。因此两轮自平衡机器人系统的研究主要分为以下几个方面：机器人系统设计及建模；机器人自平衡算法研究；机器人导航与运动控制策略研究；机器人异常过程中定位控制策略研究；机器人能量优化控制策略研究等。1.5课题题的意义义及研究究的主要要内容两轮自平衡衡机器人人的概念念是在220世纪纪90年年代末提提出的，是是智能机机器人领领域中一一个崭新新的研究究方向，

51、与与传统轮轮式移动动机器人人相比，它它运动灵灵活、环环境适应应性强、能能够方便便地实现现零半径径回转，具具有广阔阔的发展展前景。因因此，及及早开展展该领域域的研究究，对于于拓展机机器人的的应用范范围、提提高机器器人的控控制水平平，追踪踪世界先先进技术术，提高高国内两两轮机器器人的研研究水平平，扩展展其应用用领域具具有重要要的理论论及现实实意义。动力学模型型是对低低重心式式两轮车车的准确确描述。建建立低重重心式两两轮车的的动力学学模型有有利于对对低重心心式两轮轮车的深深入了解解，通过过数学的的语言对对低重心心式两轮轮车的的的运动特特性、状状态变化化加以描描述，也也有利于于研究交交流，为为建立低低

52、重心式式两轮车车的统一一模型做做出贡献献。动力力学模型型和结构构设计相相结合是是机器人人研究的的较新领领域，通通过这种种研究有有利于明明确机器器人的各各部分结结构的意意义，可可以提高高其结构构设计的的规范性性和目的的性。本论文将针针对设计计的新型型低重心心式两轮轮车进行行动力学学建模，以以便为后后续控制制策略的的研究打打下坚实实的基础础。本课课题设计计的这种种低重心心式两轮轮车是通通过同一一根轴线线上的两两个电机机来实现现该低重重心式两两轮车的的驱动和和转向两两种运动动方式。该该低重心心式两轮轮车在设设计上的的一大亮亮点在于于试图将将磁流变变液引入入结构设设计中，利利用磁流流变液通通电时的的物

53、态变变化来对对配重进进行主动动控制。因因此本文文将试图图建立以以左右驱驱动电机机的转矩矩和磁流流变液的的电流为输入入，以球球形机器器人的质质心，转转角和配配重的摆摆角为输输出的动动力学模模型，并并且通过过MATTLABB仿真来来验证所所建立动动力学模模型的正正确性与与可靠性性。2 低重心心式两轮轮车样机机介绍2.1 引引言由于两轮自自平衡机机器人发发展的历历史相对对来说比比较短暂暂，其运运动机理理上也与与以往机机器人的的实现方方式有很很大不同同，所以以尽管现现在该类类机器人人的样机机已经出出现了很很多，但但是并不不十分成成熟和完完善，很很多设计计形式正正处在不不断摸索索之中。目目前很多多性能良

54、良好的两两轮自平平衡机器器人样机机都是在在不断的的对以往往设计方方案进行行改进，在在总结成成功的经经验、失失败的教教训之后后而提出出来的。在总结和借借鉴国内内外现有有各种两两轮自平平衡机器器人和球球形机器器人构型型的基础础上，本本章提出出一种两两电机同同轴共线线放置的的构型方方案，设设计出低低重心式式两轮车车的样机。2.2 低低重心式式两轮车车构型设计计介绍文献综述中中所列举举的两轮轮子平衡衡机器人人都是利利用车体体内部的的重力偏偏离车体体的形心心，从而而形成关关于地面面接触点点的重力力矩进行行前向滚滚动的。由由于配重重驱动型型机器人人相比其其它驱动动形式的的机器人人具有得得天独厚厚的优势势因

55、此低低重心式式两轮车车在构型型上也采采用配重重驱动方方式。 图2-1 低重心心式两轮轮车构型型简图本课题在设设计低重重心式两两轮车的的时候，考考虑将两两个电机机同轴共共线放置置。这种种布置方方案不用用将配重重被动的的分成两两部分，为为加大配配重部分分在整机机中所占占的比例例提供了了保证。通通过分析析，初步步设计了了如上图2-1所示示的构型型方案。在在此方案案中，低低重心式式两轮车车在结构构上主要要可以分分成相对对独立的的三部分分:配重重机构、车车轮机构构、车体体支撑部部分：电电动机1和电电动机22的转轴轴分别与与左右车车轮相连连，然后后用套筒筒将电动动机1和和电动机机2的电电机壳相相连，由由电

56、池控控制器等等组成的的配重则则通过一一摆臂与与套筒相相连。2.3低重重心式两两轮车磁磁流变阻阻尼器减减震设计计无论是两轮轮自平衡衡机器人人还是前前面介绍绍的球形形机器人人，凡是是属于配配重驱动动型的机机器人都都会面临临这样一一个问题题：机器器人在运运动过程程中配重重的质心心会随着着时间的的变化而而变化，这这样势必必造成机机器人在在运动过过程中的的震荡与与不稳定定，尤其其是配重重的极度度不稳定定。就如如何解决决这一问问题，本本低重心心式两轮轮车在设设计过程程中尝试试考虑在在配重的的摆臂一一端加入入磁流变变阻尼器器来实现现对配重重摆角的的主动控控制，从从而有效效的抑制制低重心心式两轮轮车在运运动过

57、程程中的震震荡与不不稳。下下面有必必要对磁磁流变液液的减震震原理加加以介绍绍：2.3.11 磁流流变液磁流变液是是一种在在非导磁磁性母液液中添加加软磁性性微粒(微米级级)和表表面活性性分散剂剂等的悬悬浊液,在外加加磁场作作用下,其动力力粘度变变化过程程是连续续、无级级的,与与外加励励磁电流流存在某某种函数数关系,利用磁磁流变液液做成的的阻尼器器易于与与计算机机技术相相结合实实现实时时控制和和半主动动、主动动控制的的车辆用用智能阻阻尼器磁磁流变液液是微米米尺寸的的磁极化化颗粒分分散于非非磁性液液体(矿物油油、硅油油等)中形成成的悬浮浮液. 磁流变变液在外外加磁场场作用下下表现出出一种非非线性流流

58、变效应应,即粘度度、塑性性和粘弹弹性具有有急剧变变化性、可可控性和和可逆性性。 利用磁磁流变效效应响应应迅速和和易于控控制的特特点,可设计计出适用用于主动动和半主主动控制制的阻尼尼器、制制动器、离离合器、液液压阀、密密封装置置等新一一代机电电产品。目前,国外已已研制出出的属于于磁流变变旋转阻阻尼器范范畴的器器件有:美国TRRW 公公司的旋旋转式减减震器；通用汽汽车公司司研制的的磁流变变离合器器；美国Loord 公司开开发的用用在健身身器械上上各种磁磁流变旋旋转阻尼尼器件,波兹南南理工大大学的磁磁流变旋旋转阻尼尼器等。上述的的磁流变变旋转阻阻尼器基基本属于于单片内内置式的的结构。而国内内的磁流流

59、变液应应用产品品相对于于磁流变变液研制制以及性性能研究究,还处于于较为落落后的状状况。磁流变变旋转阻阻尼器主主要依据据阻尼承承载面的的个数(单盘片片和多盘盘片) 和励磁磁线圈与与阻尼片片的相对对位置(内置和和外置)而划分分。由于多多盘片的的承载面面积大于于单盘片片的承载载面积,因而穿穿过磁流流变液的的磁场强强度相同同,作多盘盘片上的的阻尼力力矩总是是比单盘盘片的大大. 但其其轴向尺尺寸的增增大,必然导导致励磁磁线圈物物理尺寸寸和励磁磁电流的的增大,这些对对于减小小阻尼器器的外部部尺寸、降降低励磁磁线圈的的发热都都是不利利的。2.3.22剪切式式磁流变变旋转阻阻尼器的的结构及及其工作作原理磁流变

60、应用用器件一一般有管管道流模模式、剪剪切模式式、挤压压流模式式三种基基本的设设计形式式。由于于低重心心式两轮轮车设计计使用的的是剪切切式磁流流变旋转转阻尼器器因此在在这里只只对剪切切模式磁磁流变阻阻尼器的的工作原原理加以以介绍。剪切模模式是将将磁流变变液置于于可以相相对移动动的两极极板间,由于不不同的磁磁场可以以使磁流流变液产产生不同同的剪切切屈服应应力,因而极极板之间间相对运运动所受受到的阻阻尼力就就受到了了磁场的的控制。在众多多的旋转转阻尼器器中,线圈与与阻尼片片的相对对位置有有两种形形式:一种是是阻尼片片被包裹裹在线圈圈内即阻阻尼片内内置于线线圈内腔腔中,我们称称这种阻阻尼器为为内置式式