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基于陀螺力矩原理的自平衡两轮汽车控制器设计
摘要：近年来，两轮自平衡汽车的研究与应用获得了快速发展。基于国内外关于两轮自平衡汽车的研究成果，本文主要对基于陀螺力矩原理的自平衡两轮汽车控制器设计进行研究。首先，本文综述了此次研究的背景及意义，表明两轮自平衡汽车有着良好的发展前景。其次，系统阐述了两轮自平衡汽车的国内外研究现状及存在的问题。最后，对国内外文献进行评价和探讨，得出结论并提出了本课题的研究思路及预期的研究成果。
关键词：陀螺仪，两轮自平衡汽车，控制算法，动力学方程
一、前言
自平衡车作为一类新型的车辆本质上是一种倒立摆机器人，由于其独特的平衡方式和简单的机械结构，在当今社会许多领域具有良好的应用前景。当前，两轮平衡车有两种布置形式，一种是两个轮子同轴（以九号机器人平衡车为代表），一种是两个轮子异轴（类似于传统自行车和摩托车）。本设计题目来源于大学生创新项目，根据陀螺仪作为稳定器的两轮自平衡汽车控制原理，建立合理的控制策略，实现这种两轮汽车稳定的自平衡控制，设计自平衡控制器。本研究的目的是了解掌握陀螺力矩原理的自平衡两轮汽车的动力学原理和控制算法，为相关车辆实验提供理论基础。
1.1 研究背景
近年来，环境问题、交通拥堵一直是社会热议的焦点，随着人们生活水平的提高，生活节奏的加快以及环保意识的增强，四轮汽车的一些问题被放大，两轮自平衡车逐渐走进人们的视野中。该类平衡车污染小、轻巧、结构简单，日益符合现代人们的生活需求，有望成为未来智能交通的重要发展方向。
采用陀螺仪稳定平衡可解决稳定问题。陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。两轮异轴的自平衡汽车采用陀螺仪稳定器技术，使车辆本身可自动平衡。陀螺仪的下方有单轴平衡环组件，承载陀螺仪，可以前后倾斜，当向前倾斜时，陀螺仪会产生很强的扭矩，使车身左倾，反之可使车身右倾。而当陀螺仪高速旋转时，由于惯性保持不变，自转轴可同时抵抗改变其自转轴方向的力，使汽车保持直立状态。2012年，世界上第一台应用陀螺仪稳定技术的两轮异轴电动汽车 Lit Motors C1亮相于美国旧金山。该汽车后方的由电脑控制的平衡模块，可以改变平衡环倾角来保证车身平衡。当处于直线或者静止状态时，车身保持垂直；转弯时，车身会相应的向左或向右倾斜使车平衡。因此，该类自平衡车若能进一步发展，解决存在的不足，将有着广阔的应用前景。
