基于动力性和转向性的自平衡自行车车轮驱动力分配研究

In order to improve the dynamic performance and steering performance of the self- balanced bicycle under the conditions of wheel slipping, the project presents a novel bicycle mechanism composed of two steering handlebars and two driven wheels. The research focuses on exploring the principle of the influence of the wheels’ driving torque distribution on the dynamic performance and the steering performance, and discussing the strategies to realizing the reasonable distribution of the driving torque. The project introduces the longitudinal slipping ratio, the Longitudinal force,the rolling resistance moment to characterize the sliding properties of the wheels. Kane method and Chaplygin method are used to model the dynamics of the system. By using numerical simulation method based on iterative and traversal principle elements, the influence of the wheel’s driving torque distribution on the velocity, acceleration, torque and other parameters are analyzed, and then with the technical means of the interpolation, the curve fitting and the function approximation, the dynamic performance and the steering performance are evaluated. The virtual and physical prototype experiments under typical working conditions are performed to test the evaluations. What’s more, for distributing the wheels’ torque, the project proposes a comprehensive performance evaluation index function, and considering the dynamical constraints of the bicycle system, to pursue the analytic solutions or numerical solution to find the reasonable optimization rules. Finally, under variable internal and external conditions, the virtual and physical prototype experiments of the comprehensive performance index evaluation are carried out to verify the distribution strategies. The project has a certain theoretical significance practical value on the development of a new type of driving method of the self-balance bicycle mechanism.

为了提高自平衡自行车在车轮打滑情况下的动力性能和转向性能，提出一种具有两个转向车把且双轮均驱动的新型自行车机构，探讨车轮驱动力分配对系统动力性能和转向性能影响的力学规律，给出驱动力在车轮之间进行分配的方案。项目拟引入纵向力、侧向力、侧倾力矩、滚动阻力矩、纵向滑移率等表征车轮的滑动特性，采用凯恩方法、查普雷金方法等对系统进行建模；根据数值迭代仿真的方法，遍历主元分析车轮驱动力分配对系统速度、加速度、力矩等参数影响的特性，通过插值、曲线拟合、函数逼近等技术手段研究其对动力性能和转向性能影响的规律，并开展典型工况的虚拟样机和物理样机验证实验；另外，项目拟设计综合性能评定指标函数，在系统力学响应规律约束下求解其解析解或数值解来研究车轮驱动力分配问题，最后在不同内外部条件下开展虚拟样机和物理样机综合性能指标比对实验对其进行验证和完善。项目对发展新的自平衡自行车驱动方法具有重要的理论意义和实际价值。

单轮驱动的自平衡自行车在车轮打滑情况下容易失去平衡。针对这一问题，项目研究了具有两个转向车把且双轮均驱动的新型自行车机构的动力性能和转向性能。利用了控制力矩陀螺调整姿态的力学原理，设计出了一种具有6个驱动关节的双车把自平衡自行车机构，使系统同时具有前后俯仰、左右倾斜的平衡调整功能，并且可以通过两个车把的转动实现灵活的转动。项目采用多体动力学建模方法建立了双车把自平衡自行车的二阶响应力学模型，并且根据正向分析逆向输出的思路，通过符号计算软件自动输出结果；自主开发后处理软件程序对输出的模型进行优化处理，经过基于工控机(IPC)的控制平台测量，优化后的力学模型与控制算法的总运算时间在10us以下，有效地解决了系统模型冗余膨胀的问题。项目分别研究了行走轮半径、质心高度、负载质量大小等关键参数对系统输入力矩的影响。项目分析了在双控制力矩陀螺调整平衡的情况下系统的转向特性和动力特性，从中探索双车轮动力分配的原理及策略，给出了在不同工况下车轮动力优化分配的方法和思路。项目以工控机、数字信号处理器（DSP）为基础搭建物理样机；以C++和C语言为工具开发了系统状态监控软件。项目结合部分反馈线性化方法、终端滑模方法、模型预测方法、全阶（降阶）滑模方法、自抗扰方法等设计了双车把自平衡自行车在自行车态及Segway态下的运动控制器，完成了车体平衡控制及车轮动力分配的虚拟样机和物理样机实验。项目的研究丰富了已有自平衡自行车的理论和实验研究，并对发展新型的自平衡自行车机构具有理论指导意义。