低重心式两轮车动力学建模与分析毕业论文

XXXX大学本科毕业设计（论文）

低重心式两轮车动力学建模与分析Dynamic Modeling and Analyzing of a Two-wheeled Vehicle

with Lower-gravity

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。

作者签名：日期：

学位论文原创性声明

本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日

学位论文使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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导师签名：日期：年月日

指导教师评阅书

评阅教师评阅书

教研室（或答辩小组）及教学系意见

摘要

随着科学技术的迅速发展，移动机器人得到越来越多的关注。两轮自平衡机器人作为一种典型的轮式移动机器人，具有适应环境能力强，移动和转向灵活方便、运动效率高、能量损耗小等特点，能够完成多轮机器人无法完成的复杂运动及操作，特别适用于工作环境变化大、任务复杂的场合，因此自平衡两轮机器人在工业、民用、军事以及太空探索等领域具有广泛的应用前景。但是，由于两轮自平衡机器人属于非完整约束、欠驱动系统，具有多变量、非线性和欠驱动的特点，因此其动力学方程复杂，控制系统设计难度大，限制了该类机器人的发展。

本文在总结现有各种两轮自平衡机器人样机构型的基础之上，提出一种新型的两轮自平衡机器人构型方案——低重心式两轮车，该两轮车能够进行全方位行走，运动速度快，零转弯半径，具有灵活的运动能力。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。针对一般两轮车车体产生的震荡现象，我们提出采用磁流变效应的原理，对车体震荡现象进行主动抑制。通过对低重心式两轮车的运动规律，转向机理进行分析，建立了低重心式两轮车的动能、势能和磁流变阻力矩的数学模型，进而利用拉格朗日方程建立了低重心式两轮车的动力学模型，为低重心式两轮车控制策略的设计提供了理论依据。

最后利用MATLAB对得到的动力学模型进行了仿真分析，以获得期望的低重心式两轮车的位移、速度、摆角的实验曲线。通过分析仿真数据验证了建立的动力学模型正确性与有效性。

关键词：两轮车；非完整约束；动力学建模；拉格朗日乘子法

Dynamic Modeling and Analyzing of a Two–wheeled Vehicle with

Low-gravity

Abstract

With the development of the science and technology, more attention focus on the mobile robot. As a kind of wheeled mobile robot, two-wheeled self-balanced robots have the capability to adapt the complex situations. It can move and shift flexibility. Therefore, two-wheeled self-balanced robot can perform several rounds of the complicated motion which the multi-wheeled robot can not achieve, especially in the changeful environment such as space exploration, topographic reconnaissance and transportation of dangerous goods. So it is suitable for detecting in narrow and dangerous space and has a wide foreground both in civilian and space explore. But two-wheeled self-balanced robot has multi-variable, non-linear and parameter uncertainty characteristics. Therefore, the dynamic equation is quite complex and it is difficult to design a control system .Both of the negative factors limited the development of such robots.

Based on summarizations of the present two-wheeled self-balanced robot in view of structure, a new two-wheeled self-balanced robot has been proposed. That is Two-wheeled Vehicle with Low gravity. Two-wheeled Vehicle with Low gravity is characterized by rapid motion, it can both run in omni direction and turn with zero radius. The design of the structure is different from the inverted pendulum. Due to adopt the structure of hanged pendulum, the two wheeled vehicle with low gravity has the nature of stability. In order to address the vibration phenomenon which is generally existed in the two wheeled vehicle, we propose a methed to use the principle of magnetorheological effect on the body to suppress the shock phenomena. This paper analyzes the law of motion and steering mechanism of the two-wheeled vehicle with low gravity. Through analysis of robot in detail, we get robot’s model of kinetic energy and potential energy. Two-wheeled self-balanced robot’s dynamic model is established by using Lagrange equation, and it will provide a theoretical basis for the controller design.