挂接式自平衡两节自行车失稳评测的理论及应用研究

In order to improve the load capacity of the conventional self-balanced bicycle, our project presents a novel bicycle mechanism composed of a tractor and a trailer. Our research focus on the principle and the method of the mechanism's instability evaluation and the characteristics analysis of the system's balanced-motions and the motions' realization. The mathematical model and the corresponding quantitative indexes that characterize the system's stability losing are suggested, and the key parameters and that affect the system's balance-motion characteristics are elucidated. The influences of the driving wheels' number, distribution and load position and quantity on the balance dynamics of the system are revealed, and the technical solutions for the optimization of the system's structural parameters, the distribution of the driving force and the design of the motion controller are developed. Our instability evaluating model is developed by using the idea of zero moment point analysis, and the model is verified by using the physical prototype tests. The influences of the structural parameters on the balanced dynamics of the presented bicycle are quantitatively analyzed by using the numerical simulation technology when the instability evaluating model and the mechanical dynamics are taken to discuss simultaneously. Our motions controllers are designed by differential geometry method and fuzzy control method etc., and with the proposed controllers, the rectilinear, circular and S-curve motion experiments under different terrain conditions are eventually completed. The advance of our project can enrich theoretical and experimental research for the existing self-balanced bicycle, and what's more, it has a certain theoretical significance on the development of a new type of bicycle mechanism.

为了提高现有自平衡自行车有效负载能力，提出一种由牵引车和挂接车组成的新型机构，针对其失稳度评测原理及平衡运动特性分析两个关键问题展开研究：给出评测系统失稳度的数学模型及评价指标，阐明影响系统平衡特性的关键参数及作用机理，揭示车轮驱动的个数、位置及负载的位置、质量大小对系统平衡动态影响的规律，最终确立一套结构参数优化、车轮驱动力分配和运动控制器设计的方案。项目拟借鉴零力矩点（ZMP）分析的思路建立失稳度评测模型，并通过物理样机试验对其进行验证；另外，项目拟结合评测模型与动力学方程组，借助数值仿真技术，考察结构参数对系统平衡的影响，分析车把和车轮驱动在系统平衡调整中的作用，最后利用微分几何、模糊控制等工具设计运动控制器，完成系统在不同地形条件下的直线运动、圆周运动、S曲线运动的物理样机控制试验。项目的展开可以丰富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。

由于结构限制，自行车机器人存在负载能力不足问题。针对这一问题，设计了多节挂接式自行车机器人，并对其约束特性、二阶运动响应模型、失稳评测原理、平衡运动特性、平衡控制器设计以及样机试验进行了深入研究。通过求解速度变量，对系统进行定性约束分析，推导出系统自由度计算的规律，运用数学归纳法证明了所设计的多节挂接式自行车机器人自由度与挂接节数无关。以挂接式两节自行车机器人为研究对象，提出了零力矩点（ZMP）计算方法表征车体的平衡状态。建立了系统二阶动态响应模型，根据模型估算出车轮质心平移速度，进而实时估算出车轮的纵向滑移率。建立了一种考虑纵向滑移并可实时计算的ZMP计算方法，给出挂接式两节自行车机器人ZMP的表达式。将ZMP位置分别代入一维基于距离和二维基于面积的误差计算方法中，并将误差作为控制器的干扰补偿项，引入到部分反馈线性化控制算法和基于部分反馈线性化的滑模控制算法中，设计出基于ZMP的平衡运动控制器。结果表明有ZMP误差补偿的控制效果优于无补偿的效果；基于面积的ZMP误差补偿的控制效果优于基于距离的ZMP误差补偿的控制效果；带误差补偿的基于部分反馈线性化的滑模控制效果优于仅采用部分反馈线性化控制的效果。此外，通过研究负载质量和负载位置对挂接式自行车机器人动态平衡特性的影响发现：增加负载质量，更容易造成机器人不稳定、增长车体达到平衡状态的时间和增加消耗的能量；负载在U型块前车叉比在U型块后车叉更有利于机器人平衡且消耗更少的能量。通过对两种控制器加入正弦干扰信号，发现滑模控制器控制效果优于部分反馈线性化控制器。开发出挂接式两节自行车机器人物理样机，包括设计样机的机械系统、电控系统、开发界面、搭建整车与软硬件联合调试工作，并在此基础上进行了平衡运动控制的基础实验。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。