姓名:張志彪? ? ? ? ? 學(xué)號:16050120102
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【嵌牛導(dǎo)讀】在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下天吓，電動獨輪車作為一種新型環(huán)保的代步工具贿肩，宣傳綠行出行、低碳環(huán)保的生活理念龄寞。
【嵌牛鼻子】電力驅(qū)動? ? 平衡
【嵌牛提問】電動獨輪車是一種怎樣的代步工具?有什么研究價值?
【嵌牛正文】電動獨輪車是一種依靠電力驅(qū)動及自我平衡能力控制的代步工具汰规。在社會飛速發(fā)展的今天，交通擁堵在很多大中城市也成了普遍現(xiàn)象物邑，一款時尚溜哮、便捷的電動獨輪車，讓您享受穿梭于鬧市的輕松與快樂以及上下班的快捷色解。
? ? ? ? 電動獨輪車是新一代的節(jié)能茂嗓、環(huán)保、便攜的代步工具科阎。充電3-4小時述吸，可以行駛15-30千米，短途代步非常方便锣笨，可以代替公交和地鐵蝌矛。電動獨輪車體形小巧、攜帶方便错英，可以直接放進(jìn)汽車的后備箱朴读，提到家里或是辦公室。
? ? ? ? 為了進(jìn)一步緩解大氣污染和城市交通擁堵問題走趋，小型化的短途交通工具也吸引著人們的關(guān)注，主要有電動自行車噪伊，電動機(jī)車簿煌，電動滑板車以及自平衡電動兩輪、獨輪車鉴吹。其中姨伟，全球第一輛能夠自主平衡的兩輪移動交通工具，車體只有左右兩個驅(qū)動輪豆励。人站上去之后夺荒，可以實現(xiàn)自平衡，駕駛者讓身體前傾或后仰良蒸，就能實現(xiàn)的前進(jìn)技扼、后退，這種車的應(yīng)用場合廣嫩痰，比如機(jī)場剿吻、火車站的警察巡邏。
? ? ? 自平衡電動兩輪和獨輪車由于機(jī)構(gòu)的獨特性串纺，在靜止?fàn)顟B(tài)下不能實現(xiàn)平衡丽旅，必須采用動態(tài)平衡原理才能實現(xiàn)正常運動椰棘。與兩輪車相比，獨輪車與地面僅有一個接觸點榄笙，動態(tài)不平衡性更明顯邪狞，但在實用性上，獨輪車的占地面積較小茅撞，車體結(jié)構(gòu)簡單帆卓，運動軌跡更靈活易變，可以適應(yīng)更復(fù)雜的地面環(huán)境乡翅，具備更加廣闊的前景鳞疲。自平衡載人電動獨輪車的控制模型來源于獨輪自平衡機(jī)器人，是一個高階次蠕蚜、多變量尚洽、強稿合的非線性系統(tǒng)，同時自平衡載人電動獨輪車的獨立運動變量的數(shù)目小于系統(tǒng)自由度的數(shù)目靶累，其動力學(xué)方程中存在非完整約束腺毫，所以自平衡載人電動獨輪車也是一個欠驅(qū)動的非完整系統(tǒng)。正因為具備這些特殊性挣柬，對自平衡電動獨輪車的研究除了在于解決獨輪車使用過程中的一些問題以外潮酒，其控制策略為衛(wèi)星飛行中的姿態(tài)控制、照相機(jī)防抖邪蛔、火箭發(fā)射中的垂直度控制等實際系統(tǒng)提供了控制策略的方法論急黎。因此，研究自平衡載人電動獨輪車控制策略不僅具有一定的實際應(yīng)用價值侧到，而且具有重要的理論研究價值勃教。
? ? ? ? 自平衡電動獨輪車屬于獨輪機(jī)器人應(yīng)用實例的范疇，電動獨輪車的研究理論基礎(chǔ)來源于獨輪機(jī)器人匠抗，而且在研究內(nèi)容上具有很多相似性故源，所以有必要對獨輪自平衡機(jī)器人進(jìn)行一定的總結(jié)歸納。
? ? ? 1980汞贸，日本學(xué)者發(fā)明了第一個獨輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)绳军，機(jī)器人的前后平衡是依靠輪子的轉(zhuǎn)動來維持，左右平衡是依靠左右伸展的長機(jī)械臂上的質(zhì)量塊的移動來維持矢腻，雖然實驗效果并不好门驾，但是拉開了獨輪自平衡機(jī)器人研究的序幕。隨后美國多柑、日本等國開始關(guān)注獨輪自平衡機(jī)器人技術(shù)猎唁，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界中逐漸展開了相關(guān)研究工作。經(jīng)過三十多年的研究，對于獨輪機(jī)器人的本體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計诫隅、動力學(xué)建模與分析腐魂，控制系統(tǒng)設(shè)計等方面取得了很大的成果。放眼國內(nèi)逐纬，由于我國對獨輪機(jī)器人的研究工作起步較晚蛔屹，與國外相比還存在一定的差距。
? ? ? 典型的獨輪自平衡機(jī)器人由于實現(xiàn)姿態(tài)平衡的原理不同豁生，外形也存在著很大的差異兔毒，各國的學(xué)者研究的獨輪機(jī)器人可以分為：質(zhì)量塊獨輪機(jī)器人、水平轉(zhuǎn)子獨輪機(jī)器人甸箱、垂直轉(zhuǎn)子獨輪機(jī)器人育叁、高速陀螺儀獨輪機(jī)器人等。
? ? ? 質(zhì)量塊獨輪機(jī)器人采納人在騎獨輪車過程中重心調(diào)整的原理芍殖，通過左右方向質(zhì)量塊的移動或轉(zhuǎn)動來維持獨輪機(jī)器人的左右平衡豪嗽。
? ? ? 日本東京大學(xué)在1995年研制了這種獨輪機(jī)器機(jī)器人的上半部分是由連接在一起的呈60°分布的三個質(zhì)量塊抅成，下半部分模仿人騎獨輪車的過程豌骏，設(shè)計桿件1龟梦、2、3窃躲、4和車體構(gòu)成兩個閉環(huán)鏈結(jié)構(gòu)计贰，這兩個閉環(huán)機(jī)構(gòu)通過電機(jī)帶動上下運動，類似于人兩條腿交替運動蒂窒，實現(xiàn)了獨輪機(jī)器人的前后運動躁倒。這些仿生結(jié)抅有利于實現(xiàn)機(jī)器人的姿態(tài)平衡。
? ? ? ? 整個系統(tǒng)在平衡點附近做線性化處理洒琢，然后將系統(tǒng)解耦為前后和左右兩個動力學(xué)子系統(tǒng)樱溉，單個系統(tǒng)模型較為簡單，采用了控制算法纬凤，實現(xiàn)了兩個方向上的平衡。但是實驗的結(jié)構(gòu)并不理想撩嚼，在平衡過程中存在較大的抖動停士。
? ? ? ? 北京郵電大學(xué)的郭嘉、廣啟征等人也設(shè)計了這樣一款獨輪車機(jī)器人完丽。電機(jī)全部為步進(jìn)電機(jī)恋技，電機(jī)驅(qū)動圓盤轉(zhuǎn)動來調(diào)整車體航向；電機(jī)逻族、調(diào)整配重塊的位置來調(diào)整車體橫滾角蜻底，實現(xiàn)左右平衡；電機(jī)聘鳞、驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動來調(diào)整車體俯仰角薄辅，實現(xiàn)前后平衡和車體速度的控制要拂。
? ? ? ? 郭蓋、廖啟征等人基于獨輪車的非線性動力學(xué)模型站楚，控制算法的設(shè)計是以非線性系統(tǒng)的線性化理論為依據(jù)脱惰，實現(xiàn)了對于輸入的解耦，并搭建仿真系統(tǒng)驗證了控制算法的有效性窿春，但是有待進(jìn)一步實驗驗證拉一。
? ? ? ? 水平轉(zhuǎn)子獨輪機(jī)器人在機(jī)器人頂端安裝一個水平慣性輪，機(jī)器人向一個方向傾倒時旧乞，慣性輪同向加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩帶動機(jī)器人向此方向運動以此來保持機(jī)器人的平衡蔚润，非常類似于人騎獨輪車的調(diào)節(jié)過程。
? ? ? ? 斯坦福大學(xué)在1987年設(shè)計了這樣一款獨輪機(jī)器人尺栖。機(jī)器人主要由機(jī)器人車架嫡纠、車輪、水平轉(zhuǎn)子三部分抅成决瞳。水平轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時货徙，類似于人在騎獨輪車時腰部軀干和手臂的運動，以此保持獨輪機(jī)器人的平衡皮胡。
? ? ? 通過簡化系統(tǒng)動力學(xué)模型痴颊，將系統(tǒng)線性化，采用最優(yōu)控制方法實現(xiàn)了獨輪機(jī)器人前后的平衡控制屡贺，沒有實現(xiàn)機(jī)器人左右平衡蠢棱。后來，麻省理工大學(xué)的人對該模型的控制方法做了進(jìn)一步的研究甩栈，推導(dǎo)了獨輪機(jī)器人的凱恩動力學(xué)方程泻仙，在航向角速度較低的情況下，將系統(tǒng)解耦為前后和側(cè)面方向的動力學(xué)方程量没，并提出了一種改進(jìn)LQG結(jié)構(gòu)的控制方法玉转，實現(xiàn)了機(jī)器人的側(cè)向平衡，并使用控制器減小了偏航運動時非線性干摩擦對側(cè)向平衡穩(wěn)定性的影響殴蹄。但是在航向角速度較大的情況下究抓，獨輪機(jī)器人的前后和側(cè)向的非線性耦合是不能忽略的，對此他們并沒有進(jìn)一步研究袭灯。這也是水平轉(zhuǎn)子獨輪機(jī)器人存在的缺陷刺下，因為耦合效應(yīng)強而導(dǎo)致姿態(tài)平衡控制難度較大。
? ? ? 美國加州大學(xué)在2007年研制了Unibot機(jī)器人稽荧。Unibot主要由車架橘茉、車輪、垂直轉(zhuǎn)子構(gòu)成。通過車輪的滾動實現(xiàn)機(jī)器人的前后平衡畅卓，通過垂直轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)了機(jī)器人人的左右平衡擅腰。該獨輪機(jī)器人結(jié)合了輪式倒立擺理論和慣性輪倒立擺理論，對獨輪機(jī)器人的研發(fā)有很大的啟發(fā)髓介。
? ? ? ? 韓國釜山大學(xué)的研究團(tuán)隊從2011年也進(jìn)行了垂直轉(zhuǎn)子獨輪機(jī)器人的相關(guān)研究惕鼓。與美國加洲大學(xué)的研究方法一樣，圣山大學(xué)的學(xué)者將系統(tǒng)解耦為前后和左右兩個方向的子系統(tǒng)唐础，控制方法采用PID和滑南淦纾控制算法。不僅實現(xiàn)了獨輪機(jī)器人的姿態(tài)平衡一膨，而且也實現(xiàn)了機(jī)器人的速度跟蹤呀邢。但是研究并沒有涉及獨輪機(jī)器人的航向控制。
