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前轮驱动自行车机器人建模

与自适应控制策略研究学号：2011010231姓名：李静专业：机械电子工程导师：魏世民学院：自动化学院

开题报告目录1立题依据2内容目标3方案设计4课题特色5基础条件6论文计划

1立题依据1.1研究目的和意义自行车具有车体狭长、转弯半径小、轻便灵活、省力环保、价格低廉、容易驾驶等优点，自从1818年德国人德莱斯(BaronKarlvonDrais)在法国巴黎制作了第一台木质的双轮自行车以来，经过后人接近两百年的改良革新，目前已经成为全世界最为广泛的日常代步工具。自行车机器人是自行车行驶机构与智能机器人结合的产物：一方面，这种机器人继承了自行车的优点，具有驱动关节少、能源利用率高、续航能力强以及故障率低等特点；另一方面，作为一种无人驾驶的双轮智能交通工具，自行车机器人在娱乐表演、快递物流、野外探险等方面具有广阔的应用前景。因此，自行车机器人的研究具有广泛的工程应用价值。

1.1研究目的和意义自行车机器人侧向倾角的平衡控制与常见的倒立摆有着很大的相似性，如果将自行车机器人当作一个整体，并且只考虑车体的平衡控制，则自行车机器人可以看成是一个单级的平面倒立摆系统。然而，现实中的自行车机器人，其刚体数目远比单级倒立摆多，并且结构和运动副情况均比倒立摆复杂，因此，自行车机器人的实际数学模型和动力学特性比起单级倒立摆更为冗长繁杂，控制起来需要考虑的因素自然就更多，难度也更大。基于上述原因，自行车机器人可以作为研究欠驱动非完整约束系统力学建模、非线性控制策略等问题的一个更高层次的实验平台，这种机器人的研究对现代控制理论的发展具有深远的理论意义和重要的学术价值。

1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在国外，对自行车机器人研究具有开创性贡献的最早报道可以追溯到1898年Whipple的工作。Whipple首次用若干个非线性微分方程来描述自行车机器人的一般运动行为[2]。1987年-1990年间，在美国康奈尔大学自行车研究工程中心，Papadopoulos、Hand等人对自行车做了一系列的研究工作[3-5]：将自行车看成多体系统，在车体垂直，向前作匀速直线运动并受小扰动的情况下，分别利用Newton-Euler方程和Lagrange方法，详细推导了自行车的动力学方程。

1.2国内外研究现状2005年10月，日本的Murata公司(村田制作所)研制出一款会骑自行车的机器人，MurataBoy(村田顽童)。 村田顽童有四种功能传感器模块，分别为航向检测陀螺仪、倾斜检测陀螺仪、超声波传感器和振动传感器。图1-2日本Murata公司研制的“村田顽童”

1.2国内外研究现状 2007年，日本的SaguchiTaichi[23-24]在考虑车轮的侧向滑动的基础上，建立了一种依靠车把转动调节车体平衡的自行车机器人的动力学模型，为自行车的平衡行走设计了最优反馈控制器，并且搭建了一台自行车机器人实验样机，并对样机的直线行走和转弯平衡控制进行了实验验证。 SaguchiTaichi在文[23]中明确地指出，利用车把的转动调整车体平衡要比利用配重调节器调整车体平衡更为有效。他的这种理念对传统的需要配重调节器才能保持车体平衡的观点是一个巨大的挑战，因此也引起了广泛的争论。

1.2国内外研究现状 1.2.2国内研究现状 在国内，关于自行车机器人的研究起步较晚，并且已有的文献大都以理论探讨和仿真分析为主。 1995年，上海交通大学的刘延柱率先提出单纯依靠车把转动和给定车轮一定驱动速度就可以实现自行车稳定平衡的观点，但刘未能就其理论搭建实验样机，并进一步提供相应的实验验证。 2001年至今，解放军汽车管理学院的林修成和张朝阳、国防科技大学的王路斌、河南科技大学的刘延斌等也对自行车机器人进行了理论探讨。

1.2国内外研究现状 在2007年，北京邮电大学的郭磊等人[37-41]基于拉格朗日定理提出了在匀速运行状态下的自行车机器人的一种全新的单输入单输出的动力学模型，实现了该非线性系统的镇定。并成功搭建了自行车机器人的实物样机，进行了控制实验。 郭所研究的这种静态不稳定、动态稳定的自行车机器人填补了国内在这方面研究的空白，在国内属于首创，在国际上也处于较为领先的地位。图1-7郭磊设计的自行车机器人样机

1.2国内外研究现状 2010年，北京邮电大学的于秀丽[45-47]在实验室前人的研究基础上设计了一台前轮驱动的自行车机器人样机。 于在文[47]中基于Lagrange方法建立了该自