【《两轮自平衡车控制技术的国内外研究现状的文献综述》3700字】

两轮自平衡车控制技术的国内外研究现状的文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u29893两轮自平衡车控制技术的国内外研究现状的文献综述 1220221.1.1两轮自平衡车驱动机构的国内外研究现状 1304491.1.2两轮自平衡车控制算法的国内外研究现状 521590参考文献 6英国剑桥大学Whipple和法国数学家Carvallo于1899年提出了前后两轮车做匀速直线运动时的线性化摄动动力学模型[1]，该模型的提出拉开了人们对这种两轮车车体姿态平衡问题研究的序幕，Carvallo-Whipple模型也被之后的研究者广泛采用[2-8]，而随着对车体姿态平衡问题的深入研究，动力学理论及计算机技术的发展，两轮自平衡车已成为多学科交叉综合应用的问题，涉及到经典力学、应用数学、控制理论和机器人等众多学科领域密。国内外学者对两轮自平衡车姿态平衡问题的研究主要从结构的改进及控制算法的改进两方面展开。两轮自平衡车被控对象的模型建立是以Carvallo-Whipple提出的线性化摄动动力学模型为基础。当两轮自平衡车采用不同的驱动机构时，其被控对象的模型也存在一定差异[9]。两轮自平衡车驱动机构的国内外研究现状两轮自平衡车结构方面的改进主要是通过采用不同的驱动机构来使两轮自平衡车达到预期的控制效果，除了把手转动控制器和控制力矩陀螺仪之外还有重量平衡体等驱动机构，但是从输出力矩的能力及效率等方面考虑，重量平衡体控制器和其他的驱动机构很难满足需求，因此相关的研究也较少；与之相比，控制力矩陀螺仪虽然具有成本和功耗高的缺点，但是其电气控制、输出力矩较大，这种近年来新应用的驱动机构，目前已然成为新的热门研究方向。方向把手转动控制2015年北京大学的赵明国针对自行车建立了一种复杂的多维运动学模型，并在该运动学模型中加入了自行车在自平衡控制器下转向的动态特性[10]，通过使用方向把手转向控制实现了自行车的自平衡和自动驾驶，该自平衡自行车的结构示意图如图1.1所示。建了立自行车自平衡控制系统的离散状态方程，并进行线性化，自行车的平衡控制器采用了PD控制加前馈的控制结构，控制器的指令为车把手转动角度值指令。图1.1方向把手转向控制自行车结构图Fig.1.1Directionalhandlesteeringcontrolbicyclestructurediagram在2017年的CES2017上，本田展示了一项世界独创黑科技——HondaRidingAssist骑士辅助系统，并将这种辅助系统应用于平衡摩托车上，这辆平衡摩托车是通过搭载的HondaRidingAssist骑士辅助系统来实现自平衡的。本田自平衡摩托车采用了通过ASIMO等类人形机器人研究而掌握的平衡控制技术，车体静止时通过驱动电机驱动把手的转向调整车体的重心可实现车体自平衡，当出现不平衡现象时，摩托车通过摇摆车头自行修正。该技术的主要目的是为了让摩托车新手朋友也能享受到极致的骑乘体验，保证骑手在湿滑路面、沙地或是急刹车时的安全。图1.2本田自平衡摩托车Figure1.2Hondaself-balancingmotorcycle控制力矩陀螺仪控制2014年美国LitMotors公司推出了LitMotorsC-1自平衡电动车，LitMotorsC-1自平衡汽车姿态平衡控制系统系统包括了控制力矩陀螺仪、驱动电机、位置传感器、速度传感器等，通过车辆稳定控制单元确定控制力矩陀螺仪为了稳定车体平衡需要施加的控制力矩值，然后由驱动电机驱动控制力矩陀螺仪的进动，可实现控制力矩陀螺仪进动速度和方向，该驱动电机的控制属于的开环控制，但是整个控制力矩陀螺仪的进动属于闭环控制。YZXZXYYZXZXY图1.3LitMotorsC-1两轮自平衡电动车Figure1.3LitMotorsC-1two-wheelself-balancingelectricvehicle国内的凌云汽车于2016年首次开展了自平衡车载人实验，根据不同使用情况分别设计了带有一个机械陀螺和两个机械陀螺的执行机构，安装方式为俯仰轴安装和横滚轴安装，并设计了相应的控制系统，控制系统包括：微处理器、IMU、角度传感器及低速电机控制器，当小车发生倾斜时，IMU读取车身的倾斜角度，角度传感器读取两个飞轮的进动角度，微处理器基于倾斜角度及进动角度确定维持所述小车的车身平衡所需的两个飞轮的进动角速度的大小及方向，并输出给低速电机控制器，以通过控制两个飞轮的进动来维持所述车身的平衡。在低速下，或在拥堵的市区和速度不稳定的交通状况的情况下，车辆的自稳定性能不足以维持车辆的直立定向。因此，在现有技术中，骑手需要更多的技能以操作不稳定的车辆。图1.4凌云两轮自平衡汽车Fig.1.4Lingyuntwo-wheelself-balancingvehicle方向把手结合控制力矩陀螺仪控制2020年11月20日，腾讯公布了RoboticsX实验室在移动机器人研究方面的新进展，该实验室研制的自平衡轮式移动机器人首次对外亮相。自平衡轮式移动机器人的硬件平台完全由腾讯RoboticsX自研。RoboticsX实验室与纽约大学合作研究了轮式机器人的动静态平衡控制的稳定性问题，它在传统轮式移动机器人的基础上，增加了动量轮及其电机驱动系统，使用了级联与阻尼配置的无源控制方法，并应用李雅普诺夫理论从理论上证明了自平衡轮式移动机器人的闭环系统稳定性。不同于传统方法将静态和动态平衡区分对待，RoboticsX实验室的研究团队建立了可以同时描述轮式移动机器人动态特性和静态特性的统一的数学模型。基于同一模型，动态平衡和静态平衡对不同驱动输入的依赖程度不同，无法使用同样的控制参数。因此，研究团队使用基于增益规划的控制方法可在两种情况下都保持轮式机器人的平衡。它的控制能力又可以细分为行进中的动态自平衡和停止行进时的静态自平衡。行进中的动态自平衡是依靠前把转动进而带动车身的转动实现，而停止行进时的静态自平衡则采用动量轮力矩平衡技术，应用角动量守恒的原理实现自平衡控制。依靠平衡算法，即使受到一定的外界干扰，腾讯自平衡轮式移动机器人仍然可以在保持自平衡状态的同时，实现平稳地向前行驶。在测试中，机器人在不同的路面状况下，例如遇到上下坡时，均表现出了较好的运动能力和平衡性能。甚至对于行驶路径上存在特定约束的情况下，比如沿着独木桥行驶的场景，也能从容应对。图1.5腾讯自平衡轮式机器人Figure1.5Tencentself-balancingwheeledrobot两轮自平衡车控制算法的国内外研究现状PID控制Spry和Girard设计了两轮自平衡车姿态控制的比例控制器，并利用了设计的控制器进行了仿真实验[11]，在仿真实验中，该比例控制器可以实现两轮自平衡车从初始角度2°回复至平衡状态，并通过仿真模型验证了控制参数对两轮自平衡车姿态平衡性能的影响，但是在控制过程中，两轮车侧倾角出现了幅值为-10°的振荡，控制器的收敛性有待提高。而且没有进行实验验证该控制器能否应用于两轮自平衡车的姿态控制。南京航空航天大学的王恒通过采用新型高精度的自平衡车倾角测量传感器来提高测量精度，并设计了相应的两轮自平衡车PID控制器[12]，通过搭建的自平衡车姿控实验平台对设计的控制器性能进行验证，实验结果表明其所设计的控制器能实现两轮自平衡车的自平衡，但是车体在受到扰动后的摆动幅度为15°，需要5s回复至平衡状态。自抗扰控制Sergio设计了基于自抗扰控制算法的自平衡车姿态控制器[13]，通过将所设计的自抗扰姿态控制器与PID姿态控制器进行对比仿真试验，试验结果表明自抗扰姿态控制器具有更快的响应速度，且受到外部施加的干扰力矩作用时，自抗扰控制器的收敛速度也更加快速。火箭军工程大学的单钧麟设计了滤波扩张状态观测器来克服两轮自平衡车的不确定扰动[14]，通过仿真验证了所设计的自平衡车姿态控制器能够抑制扰动对两轮自平衡车稳定性的影响，该控制器不仅响应快速，而且超调量小。但是只进行了仿真试验，在实验平台的控制效果未知。滑模变结构控制为了降低两轮自平衡车控制系统对两轮车模型准确度的依赖性，Ming-HungHsieh将滑模变结构控制算法应用于两轮自平衡车的姿态控制中[15]，实现了两轮自平衡车从初始角度为5°时的起动，且具备一定的抗外界冲击能力，但是未对两轮自平衡车的鲁棒性与滑模变结构控制的滑动模态面的选取做进一步的分析。综上所述，基于方向把手转向控制和控制力矩陀螺仪控制这两种外部激励方案，国内外的两轮自平衡车相关产品实现了三种平衡控制方法，第一种是基于控制力矩陀螺仪的姿态稳定控制，通过控制力矩陀螺仪输出力矩来实现车体自平衡；另一种是利用骑行智能辅助系统模拟人类在骑行摩托时的驾驶操作，通过转动把手来实现车体的平衡，这种控制方法的自平衡车结构更加简单因此控制难度也更低；最后一种是结合第一和第二种控制方法，静止时采用控制力矩陀螺仪，运动过程中通过转动把手实现车体的平衡，所以这种方式结构更加复杂，相应的控制难度更大。不同自平衡车的控制方法可根据不同的使用场景选取，在自动驾驶领域的自平衡车可通过转动把手来实现车体的自平衡，而作为人类的交通工具时，驾驶者的行为与控制系统的行为存在一定的冲突，因此采用控制力矩陀螺仪来实现其自平衡更加合适。相对于对系统模型精确度要求更高的经典控制算法，当被控对象的模型不够精确时会引起相应的控制误差，因此对模型依赖性低且抗干扰能力强的智能控制算法，是两轮自平衡车姿控算法未来的发展趋势[16-24]。参考文献CarvalloE.Theoriedumovementdumonocycleetdelabicycle[M].Paris:Gauthier-Villars,1899.[2]WhippleFJW.Thestabilityofthemotionofabicycle[J].QuartpureApplicationMath,1899(30):312-348.[3]KleinF,SommerfeldA.Uberdietheoriedeskreisels[M]Leipzig:Teubner,1910.[4]KooijmanJD,MeijaardJP,PapadopoulosJ,etal.Abicyclecanbeself-stablewithoutgyroscopicorcastereffects[J].Science,2011,332(6027):339-342.[5]MeijaardJP,PapadopoulosJ,RuinaA,etal.Linerizeddynamicsequationsforthebalanceandsteerofabicycle:abenchmarkandreview[C].London:ProceedingsMathematicalPhysicalandEngineeringSciences,2007.[6]KooijmanJD,SchwabAL,MeijaardJP.Experimentalvalidationofamodelofanuncontrolledbicycle[J].MultibodySystemDynamic,2008(19):115-132.[7]StevensD.Thestabilityandhandlingcharacteristicsofbicycle[D].Sydney:TheUniversityofNewSouthWales,2009.[8]SchwabAL,MeijaardJP,Areviewonbicycledynamicsandridercontrol[J].VehicleSystemDynamics,2013(51):1059-1090.[9]SharpR.S.Thestabilityofmotorcyclesinaccelerationanddeceleration[C].London:BrakingofRoadVehicles,InstitutionofMechanicalEngineersConference,1977.[10]LimebeerDJN,SharpRS,EvangelouS.Thestabilityofmotorcyclesunderaccelerationandbraking[J].ARCHIVEProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineersPartCJourna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