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自平衡车路径跟踪控制策略研究
摘要:随着传统交通工具带来的能源危机、交通拥堵、环境污染等问题日益凸显了人们对新型交通工具的需求日益迫切。两轮自平衡小车具有体积小、结构简单、运动灵活、方便携带，并且不会产生尾气等优点，满足了人们当下的需求。但是两轮自平衡车是非线性、强耦合、欠驱动、静态不稳定系统，因此如何实现对两轮自平衡车的平衡和轨迹跟踪控制一直以来都是该研究方向的重点和难点。首先，本文采用牛顿力学原理，对车体进行运动学和动力学分析，建立小车系统的动力学模型和数学模型并通过MATLAB的Simulink对模型进行仿真验证。其次，对陀螺仪和加速度计测出的数据进行处理，采用卡尔曼滤波算法对数据进行处理。本文采用闭环PID反馈控制理论且控制效果较好，实现了两轮自平衡车的平衡和轨迹控制。
关键词:两轮自平衡小车 牛顿力学 卡尔曼滤波 PID控制 MATLAB-Simulink
1.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，二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）。对于异轴二轮平衡车，我们前几年提出了大转动惯量物体作为平衡稳定器的方案，并进行了基础原理的论证。本课题研究以大转动惯量转子作为稳定器的两轮自平衡汽车的平衡与导航协同控制，建立线性三重PID控制策略，实现自平衡、行进方向和行驶轨迹控制，适用不同的路况和驾驶需求。
1.1研究背景
汽车的年销售增长率在10%左右，而且大部分汽车使用时，由化石作为动力燃料，尾气排放对环境造成很大的污染，对人体的健康损害非常严重，导致呼吸系统疾病，加剧城市热岛效应，使城市环境每况愈下。
汽车所使用的主要能源还是石油，而石油是一种不可再生的能源，再加之现在油价飙升，石油危机在所难免更有国家之间为了石油资源发生冲突。除此之外，小汽车在比家庭出行带来便利的同时也给城市交通带来了极大的挑战。特别是在上下班高峰期，开车甚至没有自行车快，由于汽车导致的城市道路拥挤，人们不得不提前一两个小时出发。此外，交通事故的频频发生，也成为重要的社会问题，轻则财产损失重则人身死亡，无论对家庭还是社会都是一大损失。
