基于虚拟样机技术的两轮自平衡电动车动力学仿真研究

作     者：王小城 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姜立标

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 082304[工学-载运工具运用工程] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：自平衡电动车 虚拟样机技术 模糊控制 动力学分析 联合仿真 

摘      要：两轮自平衡电动车是一种左右车轮并行布置，依靠倾角传感器和陀螺仪对小车质心倾角和倾角角速度进行实时检测，并结合控制算法维持自身动态平衡的一种新型代步工具。具有体积小、结构简单、运动灵活等特点，能实现零半径回转，适于在狭小的空间内活动。典型应用包括代步工具、紧急服务、巡逻用车、智能轮椅等方面，有着广泛的应用前景。两轮自平衡电动车的本质是一种不稳定的轮式移动系统，具有多变量、非线性、自然不稳定等特点。本文通过虚拟样机技术对两轮自平衡电动车进行动力学研究和仿真分析，验证其设计方案的有效性。 本文在详细分析两轮自平衡电动车的工作原理基础上，针对目前的两轮自平衡电动车减振效果和平顺性差的特点，对其进行创新性设计，设计带有减振器悬架的两轮自平衡电动车模型，对悬架机构进行动力学分析，并进行整车动力性校核。根据牛顿力学理论对两轮自平衡电动车系统的简化模型进行动力学分析。代入自平衡车参数得到系统状态空间方程，分析系统的可控性。用LQR算法对状态空间方程进行验证，并分析两轮自平衡电动车重心高度变化对自平衡车性能的影响情况。 按照两轮自平衡电动车实际的几何参数、物理特性，建立两轮自平衡电动车的三维实体模型，并利用ADAMS的专业模块，对模型进行定义刚体、创建约束、施加力，建立虚拟现实环境中的两轮自平衡电动车的仿真模型。结合模糊控制理论和PID控制器建立模糊自适应整定PID控制器。最后，运用ADAMS软件和SIMULINK软件建立联合仿真控制模型，通过对两轮自平衡电动车的直立平衡控制、位置控制和速度控制这三种情况进行仿真，仿真结果表明两轮自平衡电动车的虚拟样机行走平稳，控制效果良好，具有较好的稳定性和鲁棒性，验证两轮自平衡电动车设计的有效性。最后通过实验验证自平衡电动车车满足动态特性要求。