低重心式两轮车动力学建模和分析毕业论文答辩.ppt

低重心式两轮车动力学建模与分析毕业论文答辩 低重心式两轮车动力学建模与分析 指导教师： 答 辩 人: 低重心式两轮车动力学建模与分析 研究背景 随着科学技术的发展，机器人特别是移动机器人在太空探索、军事、工业、消防、反恐等领域中的应用越来越广泛。 轮式机器人在工作过程中可能会遇到工作区域狭窄、路面不平、工作环境复杂多变、需要经常转向的工作场合 。（优点） 两轮自平衡机器人的研究现状 国外的研究机构及公司相继开始了应用研究，已经在系统设计与实现、建模、自平衡策略、运动规划等方面取得了进展。 目前，国内关于两轮自平衡机器人的研究处于起步阶段。 现阶段主要针对机器人建模与实验原型机的研制进行研究。 两轮自平衡机器人的研究现状 两轮自平衡机器人的研究现状 现有典型两轮车性能分析 现阶段两轮自平衡机器人高重心分布的主要原因一方面是为了设计时可以充分借鉴倒立摆的研究成果。 另一方面是由于现阶段两轮自平衡机器人的使用上主要还是需要与操作者的交互。操作者在使用现有两轮自平衡机器人时可以站在两轮自平衡机器人的上面，适应高重心自平衡的要求。 现有典型两轮车性能分析 在空间探索以及一些不适宜人工操作的恶劣环境下，现有典型两轮车存在着明显的不足，因此在机器人研究中针对自适应性高智能性的要求，众多研究者开发出了一系列低重心机器人，其中比较有代表的低重心机器人就是球形机器人。 现有典型两轮车性能分析 研究内容 在总结现有各种两轮车和球形机器人样机构型的基础之上，提出一种新型的两轮车构型方案——低重心式两轮车。不同于倒立摆式的设计结构，由于采用下垂摆式的结构，因此该两轮车系统具有本质稳定性。 利用磁流变效应的原理，对车体震荡现象主动抑制进行探索。 分析低重心式两轮车的运动规律，转向机理。建立低重心式两轮车的动能、势能和磁流变阻力矩的数学模型。 研究内容 利用拉格朗日方程建立低重心式两轮车的动力学模型，为后续低重心式两轮车控制策略的设计提供理论依据。 建立低重心式两轮车MATLAB仿真模型，通过仿真分析验证建立的动力学模型正确性与有效性。 论文要点 样机介绍 样机介绍 前向运动机理 转向运动机理 运动机理分析 磁流变原理 磁流变液是一种在非导磁性母液中添加软磁性微粒和表面活性分散剂等的悬浊液,在外加磁场作用下,其动力粘度变化过程是连续、无级的,与外加励磁电流存在某种函数关系 。 磁流变原理 磁流变液在外加磁场作用下表现出一种非线性流变效应,即粘度、塑性和粘弹性具有急剧变化性、可控性和可逆性，具有响应迅速和易于控制的特点。 磁流变原理 动力学建模 要定量、准确地分析设计一个控制系统，提高对研究对象的认识水平和控制能力，就一定要建立控制对象的数学模型。 精确地确立两轮车的数学模型，是控制理论能否成功地用于解决两轮车控制的关键之一。 (建模方法) 动力学建模方法 低重心式两轮车构成的是一个非完整约束、强耦合、欠驱动、非线性的系统，现阶段两轮车在力学分析和控制系统设计等方面具有很大的难度。 动力学建模的方法有牛顿—欧拉法、凯恩法、拉格朗日法等。 动力学建模方法 牛顿-欧拉方法在动力学建模中不具有普遍性，需要对不同的机器人结构具体分析。 凯恩方法的推导过程较为繁冗，且该方法中的偏速度、偏角速度等量是凯恩本人提出的独特概念，并不具备物理意义。 拉格朗日法简单有规律，应用时只需计算系统的能量和广义力。 动力学建模的假设条件 动力学建模 低重心式两轮车约束力模型 低重心式两轮车动能模型 低重心式两轮车的质量主要可以分为两部分：一部分是匀质球壳的质量，一部分是配重的质量。 建立低重心式两轮车的动力学模型时，主要针对这两部分质量确定系统的动力学参数。 车轮动能模型 低重心式两轮车车轮部分的动能可以分为质心的平动动能、车轮绕质心的转动动能和车轮绕竖直中心轴(z轴)的转动动能。 配重动能模型 两轮车势能模型 动力学建模 低重心式两轮车建模所依据的非完整约束拉格朗日方程 ： 动力学建模 动力学建模 低重心式两轮车的完整动力学模型 动力学模型的处理 低重心式两轮车约束矩阵 动力学模型的处理 MATLAB仿真 MATLAB仿真方法大多以建立低重心式两轮车的数学模型为基础，通过编程技术得到低重心式两轮车的速度和角速度等数据。 MATLAB仿真技术能够在一定程度上对前面建立的动力学模型进行有效的验证。 MATLAB仿真模型 前向运动仿真分析 前向运动仿真分析 转向运动仿真分析 磁流变仿真分析 磁流变仿真分析 磁流变仿真分析 结 论 建立了低重心式两轮车的动能、势能、磁流变阻尼力学模型，并且应用拉格朗日乘子法建立了包括车体摆角在内的低重心式两轮车完整动力学模型 利用MATLAB对所建立完整动力学模型进行仿真，获得了期望中的配重摆角、车体摆