两轮不平衡小车的初步辨识及智能控制研究
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Ｔｈｅｎ ＵＳｅ ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ－ｆｕｚｚｙ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｇａｉｎ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ
ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａ ｆｉｎａｌ ａｄａｐｔｉｖｅ
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ．
Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅ ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｍｅｄｉｕｍ ＳＣＩ＇ＶＯ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄ ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ，Ｓｏｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｇｏｔ，
图１．４ ＪＯＥ机器人
研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的数据，用线性状态反馈控制器来控 制整个系统的平衡稳定。
由美国发明家Ｄｅａｎ Ｋａｍｅｎ开发的‘ＳＥＧＷＡ＇Ｙ ｌｉＴ’两轮个人交通工具则是一个 更为实用、成熟以及商业化的两轮运载车的版本。它可以承载站立在平台上的驾 驶者，并在保持平衡的状态下在多种路面上进行便捷的运动【划，其外观图如图１．５ 所示。
本文在总结和归纳了两轮自平衡小车的研究现状后，提出了两轮自平衡小车 的构建方案，选用了适当的控制器、执行电机、传感器，设计了相应的外围电路， 实现了整个两轮小车的硬件系统。
建模一直是复杂系统分析与控制的一大难题，为了解决这一问题，本文使用 了预报误差法和最小二乘法的辨识方法对一个中功率机电伺服系统成功的进行了 辨识，接着在对两轮不平衡小车的辨识中，得到了系统的部分参数，总结了经验 教训，并为以后的辨识工作提出了建议。
图１．５ ＳＥＧＷＡＹＨｒ
它使用了五个陀螺仪和一个收集其他角度传感器数据的集成器来保持自身
第螺仪就可以控制整个系统的平衡，而另外的 两个则是为安全可靠作为备用。
除以上两个例子外，由美国科学家Ｄａｖｉｄ ＥＡｎｄｅｒｓｏｎｌ２１研发的两轮自平衡机 器人Ｎｂｏｔ和由Ｓｔｅｖｅｎ Ｈａｓｓｅｎｐｌｕｇ研制的机器人Ｌｅｇｗａｙ也都是十分成功的例子。 其外观图如图１．６所示。
１．２．１国外的研究成果 在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，
以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车： 由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为ＪＯＥ的基于倒
立摆的小型自平衡两轮车模型，是由ＤＳＰ芯片进行控制的。它由车架上方所附的 的重物模拟实际车中的驾驶者【１５】。其外观图如图１．４所示。
ｓｙｓｔｅｍ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｆｕｚｚｙ
ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ·ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
西安电子科技大学 学位论文创新性声明
秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ—ｆｕｚｚｙ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ—ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ＇ｓ ｂａｌａｎｃｅ，ａｎｄ ｆｉｎｄｓ ｉｔ
系统中得到检验。
１．２两轮自平衡小车的发展历程和现状
两轮自平衡小车的想法来自于倒立摆模型［３１。下图１．１为直线倒立摆的一个 平面示意图。
Ｐｅｌｉ
Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｐｅｎｄｕｌｕｍ
图１．１倒立摆示意图
摆只能在平面内运动，如果摆倒向左边，那么摆的底部就必须也向左面移动，以 保持摆的竖直平衡，右边情况与左边类似。
两轮自平衡小车的情况与倒立摆相似【２们，也需要类似的运动来保持摆车架的 竖直平衡，如图１．２、１．３所示。
Ｔｉｌｔｅｄ Ａｎｇｋ
图１．２两轮白平衡车的平衡状态图
图１．３两轮自平衡车的非平衡状态
２
两轮不平衡小车的初步辨识及智能控制研究
除此之外，在运动方面【３１Ｊ，由于可以对两个轮子进行独立的控制，两轮自平 衡小车除了能像一般的倒立摆完成直线运动外，还可以完成按轨迹运动的特殊任 务。
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ Ｓｏｍｅ ａｄｖｉｃｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ａｆｔｅｒｗａｒｄｓ．
Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｍａｔｈ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。
本人签名：麈至垦
西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明
笨人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
本文接着给出了两轮不平衡小车的非线性数学模型并进行了相关的分析，在 介绍了智能控制的部分知识后，提出了新的智能控制方法，即使用自适应神经． 模糊推理系统学习多个状态反馈控制器得到一个自适应神经模糊控制器用来控制 小车的平衡，提高系统的可控范围。接着引进了动态模糊控制器，提高了控制系 统的动态性能。最后再次利用自适应神经．模糊推理系统对含有动态模糊控制器的 控制系统进行学习，得到了最终的自适应神经模糊控制器。该控制器不仅扩大了 对系统初始角度的控制范围，而且较大的改善了系统的动态特性。
哈尔滨工程大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用两块Ｃｙｇｎａｌ 公司推出的Ｃ８０５１单片机和人机交互的上位机作为控制核心。车体倾斜角度检测 采用ＡＤ公司推出的双轴加速度传感器ＡＤＸＬ２０２及反射式红外线距离传感器。 利用ＰＷＭ技术动态控制两台直流电机的转速。上位机与机器人Ｊ．日Ｊ的数据通信采 用迅通生产的ＰＴＲ２０００超小型超低功耗高速无线收发ＭＯＤＥＭ。人机交互界面采 用２４０＋１２８图形液晶点阵、方向摇杆及按键。基于这些完备而可靠的硬件设计，
本人签名； 导师签名：
同期一卅－』
第一章绪论
第一章绪论
本章简要的介绍了两轮自平衡小车的起源与发展、研究意义以及国内外的研 究发展现状，概述了系统辨识和智能控制，并依此提出了本论文研究的主要内容。
１．１两轮自平衡小车的研究意义 两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人【１１，是一种多变量、非线性、 绝对不稳定的系统，是检验各种控制方法控制能力的典型装置。因其既有理论意义 又有实用价值，两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室 的广泛关注。两轮自平衡小车作为倒置系统的一种形式，是动力学理论和自动控 制理论与技术相结合的研究项目，为科学理论的发展起到了指导作用。状态空间 法、模糊控制、神经网络控制等控制方法的控制效果都可以在这个本质不稳定的
作者姓名…一房立要…指导教师姓名、职务…届胜歪９～副教援…
学科门类…．互学…，学科、专业……控制焦睑与控售生王程……
提交论文日期……一………一．三ＱＱ土年二月．．
摘要
本质不稳定两轮小车是一种特殊轮式移动机器人，其动力学系统具有多变量、 非线性、强耦合、参数不确定性等特性，是研究各种控制方法的一个理想平台。
Ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ—ｗｈｅｅｌ ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｍｏｔｏｒ、ＳｅｎＳＯｒｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｃｈｏｓｅｎ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｅｔ ｉＳ∞ｔ ｕｐ．
代号 分类号
１０７０１ ＴＰ２７３
学 号…一一０４…３２１２１６—４—６
密级
公开
而簧它争料校竞誉
硕士学位论文
题ｃ中、英文，目……一一西捡丕乎煎：嚏煦留步瑟＿｝基霪塑鼹撞筻４研真……一一 助曼塾啦一ｏｎ＿Ａ＿ｈｅ＿Ｌｄ＿ｅｎｔｉ：（＿Ｌ盟ｔｉｏｎ＿ａｎ＿ｄ一妫？一鱼ｊ照！盟！塑！ …一鼬！翘１．．ｆ蛆．垫一ｕ＿ｎｓｔａｂｋ．Ｔｙｏ：要ｈｅｅｌｅ＿ｄ＿．Ｖｅｈ＿№Ｌｅ＿…一
１．２．２国内的研究成果
我国在此方面的研究也取得了很大的成就： 台湾国立中央大学在２００４年利用模糊控制实现了一个两轮小车的自动平衡
控制ｌＺＳｌ。 中国科学技术大学研究出了自平衡两轮代步电动车，它是一种两轮式左右并
行布置结构的具有自平衡系统的电动车。在车体内嵌入式ＣＰＵ的控制下，采集平 衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过一定的控制算法，计算输出ＰＷＭ 信号控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自 动前进、后退及转弯ｌ冽。
图１．６Ｎｂｏｔ和Ｌｅｇｗａｙ
前者使用商用惯性传感器和电机编码器来实现系统的的平衡，而后者则使用 ＬＥＧＯ（乐高）公司的迷你风暴机器人套件制作，采用光电近场测量器作为传感 器，为控制器提供倾角等数据。
ｄｙｎａｍｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｉｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈｅ
ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ａ ｆｉｎａｌ ａｄａｐｔｉｖｅ
Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔ ｐｒｏｂｌｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ．
Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｅ ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｄｅｎｔｉｆｙ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｍｅｄｉｕｍ ＳＣＩ＇ＶＯ ｓｙｓｔｅｍ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌｅｄ ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ，Ｓｏｍｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｇｏｔ，
图１．４ ＪＯＥ机器人
研究人员通过陀螺仪和光电编码器测量的数据，用线性状态反馈控制器来控 制整个系统的平衡稳定。
由美国发明家Ｄｅａｎ Ｋａｍｅｎ开发的‘ＳＥＧＷＡ＇Ｙ ｌｉＴ’两轮个人交通工具则是一个 更为实用、成熟以及商业化的两轮运载车的版本。它可以承载站立在平台上的驾 驶者，并在保持平衡的状态下在多种路面上进行便捷的运动【划，其外观图如图１．５ 所示。
本文在总结和归纳了两轮自平衡小车的研究现状后，提出了两轮自平衡小车 的构建方案，选用了适当的控制器、执行电机、传感器，设计了相应的外围电路， 实现了整个两轮小车的硬件系统。
建模一直是复杂系统分析与控制的一大难题，为了解决这一问题，本文使用 了预报误差法和最小二乘法的辨识方法对一个中功率机电伺服系统成功的进行了 辨识，接着在对两轮不平衡小车的辨识中，得到了系统的部分参数，总结了经验 教训，并为以后的辨识工作提出了建议。
图１．５ ＳＥＧＷＡＹＨｒ
它使用了五个陀螺仪和一个收集其他角度传感器数据的集成器来保持自身
第螺仪就可以控制整个系统的平衡，而另外的 两个则是为安全可靠作为备用。
除以上两个例子外，由美国科学家Ｄａｖｉｄ ＥＡｎｄｅｒｓｏｎｌ２１研发的两轮自平衡机 器人Ｎｂｏｔ和由Ｓｔｅｖｅｎ Ｈａｓｓｅｎｐｌｕｇ研制的机器人Ｌｅｇｗａｙ也都是十分成功的例子。 其外观图如图１．６所示。
１．２．１国外的研究成果 在两轮自平衡小车的研究上，国外的专家和爱好者们取得了一系列的成果，
以下介绍国外几个比较先进的两轮自平衡小车： 由瑞士联邦技术学院工业电子实验室的研究人员研制的名为ＪＯＥ的基于倒
立摆的小型自平衡两轮车模型，是由ＤＳＰ芯片进行控制的。它由车架上方所附的 的重物模拟实际车中的驾驶者【１５】。其外观图如图１．４所示。
ｓｙｓｔｅｍ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ｆｕｚｚｙ
ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ·ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｙｎａｍｉｃ ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌ
西安电子科技大学 学位论文创新性声明
秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。
ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ，ｔｈｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ—ｆｕｚｚｙ ｉｎｆｅｒｅｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｇｅｔ ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌ—ｆｕｚｚｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ＇ｓ ｂａｌａｎｃｅ，ａｎｄ ｆｉｎｄｓ ｉｔ
系统中得到检验。
１．２两轮自平衡小车的发展历程和现状
两轮自平衡小车的想法来自于倒立摆模型［３１。下图１．１为直线倒立摆的一个 平面示意图。
Ｐｅｌｉ
Ｉｎｖｅｒｔｅｄ Ｐｅｎｄｕｌｕｍ
图１．１倒立摆示意图
摆只能在平面内运动，如果摆倒向左边，那么摆的底部就必须也向左面移动，以 保持摆的竖直平衡，右边情况与左边类似。
两轮自平衡小车的情况与倒立摆相似【２们，也需要类似的运动来保持摆车架的 竖直平衡，如图１．２、１．３所示。
Ｔｉｌｔｅｄ Ａｎｇｋ
图１．２两轮白平衡车的平衡状态图
图１．３两轮自平衡车的非平衡状态
２
两轮不平衡小车的初步辨识及智能控制研究
除此之外，在运动方面【３１Ｊ，由于可以对两个轮子进行独立的控制，两轮自平 衡小车除了能像一般的倒立摆完成直线运动外，还可以完成按轨迹运动的特殊任 务。
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ Ｓｏｍｅ ａｄｖｉｃｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ
ａｆｔｅｒｗａｒｄｓ．
Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ＇ｓ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｍａｔｈ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。
本人签名：麈至垦
西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明
笨人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。
本文接着给出了两轮不平衡小车的非线性数学模型并进行了相关的分析，在 介绍了智能控制的部分知识后，提出了新的智能控制方法，即使用自适应神经． 模糊推理系统学习多个状态反馈控制器得到一个自适应神经模糊控制器用来控制 小车的平衡，提高系统的可控范围。接着引进了动态模糊控制器，提高了控制系 统的动态性能。最后再次利用自适应神经．模糊推理系统对含有动态模糊控制器的 控制系统进行学习，得到了最终的自适应神经模糊控制器。该控制器不仅扩大了 对系统初始角度的控制范围，而且较大的改善了系统的动态特性。
哈尔滨工程大学也有类似的双轮直立自平衡机器人，该系统采用两块Ｃｙｇｎａｌ 公司推出的Ｃ８０５１单片机和人机交互的上位机作为控制核心。车体倾斜角度检测 采用ＡＤ公司推出的双轴加速度传感器ＡＤＸＬ２０２及反射式红外线距离传感器。 利用ＰＷＭ技术动态控制两台直流电机的转速。上位机与机器人Ｊ．日Ｊ的数据通信采 用迅通生产的ＰＴＲ２０００超小型超低功耗高速无线收发ＭＯＤＥＭ。人机交互界面采 用２４０＋１２８图形液晶点阵、方向摇杆及按键。基于这些完备而可靠的硬件设计，
本人签名； 导师签名：
同期一卅－』
第一章绪论
第一章绪论
本章简要的介绍了两轮自平衡小车的起源与发展、研究意义以及国内外的研 究发展现状，概述了系统辨识和智能控制，并依此提出了本论文研究的主要内容。
１．１两轮自平衡小车的研究意义 两轮自平衡小车是一个高度不稳定两轮机器人【１１，是一种多变量、非线性、 绝对不稳定的系统，是检验各种控制方法控制能力的典型装置。因其既有理论意义 又有实用价值，两轮自平衡小车的研究在最近十年引起了大量机器人技术实验室 的广泛关注。两轮自平衡小车作为倒置系统的一种形式，是动力学理论和自动控 制理论与技术相结合的研究项目，为科学理论的发展起到了指导作用。状态空间 法、模糊控制、神经网络控制等控制方法的控制效果都可以在这个本质不稳定的
作者姓名…一房立要…指导教师姓名、职务…届胜歪９～副教援…
学科门类…．互学…，学科、专业……控制焦睑与控售生王程……
提交论文日期……一………一．三ＱＱ土年二月．．
摘要
本质不稳定两轮小车是一种特殊轮式移动机器人，其动力学系统具有多变量、 非线性、强耦合、参数不确定性等特性，是研究各种控制方法的一个理想平台。
Ａｔ ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ—ｗｈｅｅｌ ｓｅｌｆ－ｂａｌａｎｃｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｍｏｔｏｒ、ＳｅｎＳＯｒｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｒｅ ｃｈｏｓｅｎ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａ ｔｗｏ－ｗｈｅｅｌ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｅｔ ｉＳ∞ｔ ｕｐ．
代号 分类号
１０７０１ ＴＰ２７３
学 号…一一０４…３２１２１６—４—６
密级
公开
而簧它争料校竞誉
硕士学位论文
题ｃ中、英文，目……一一西捡丕乎煎：嚏煦留步瑟＿｝基霪塑鼹撞筻４研真……一一 助曼塾啦一ｏｎ＿Ａ＿ｈｅ＿Ｌｄ＿ｅｎｔｉ：（＿Ｌ盟ｔｉｏｎ＿ａｎ＿ｄ一妫？一鱼ｊ照！盟！塑！ …一鼬！翘１．．ｆ蛆．垫一ｕ＿ｎｓｔａｂｋ．Ｔｙｏ：要ｈｅｅｌｅ＿ｄ＿．Ｖｅｈ＿№Ｌｅ＿…一
１．２．２国内的研究成果
我国在此方面的研究也取得了很大的成就： 台湾国立中央大学在２００４年利用模糊控制实现了一个两轮小车的自动平衡
控制ｌＺＳｌ。 中国科学技术大学研究出了自平衡两轮代步电动车，它是一种两轮式左右并
行布置结构的具有自平衡系统的电动车。在车体内嵌入式ＣＰＵ的控制下，采集平 衡传感器以及速度、加速度传感器的数据，通过一定的控制算法，计算输出ＰＷＭ 信号控制两个伺服电机的转矩，使车体保持平衡并能够根据人体重心的偏移，自 动前进、后退及转弯ｌ冽。
图１．６Ｎｂｏｔ和Ｌｅｇｗａｙ
前者使用商用惯性传感器和电机编码器来实现系统的的平衡，而后者则使用 ＬＥＧＯ（乐高）公司的迷你风暴机器人套件制作，采用光电近场测量器作为传感 器，为控制器提供倾角等数据。
