摘要
自行车具有高灵活性、高通过性等优点，在日常生活中有着广泛的用途。虽然大部分人能够轻松地驾驶它，但其平衡机理仍未完全明晰。本研究为了解决其平衡控制问题，设计了一种带有惯性飞轮的无人自行车，对其进行了运动学和动力学建模研究。为了实现自行车平衡控制的效果和抵抗干扰的能力，本文将线性自抗扰控制方法应用到无人自行车平衡控制器的设计中，确保该系统能够实现自行车的平衡控制，并在平衡的基础上使用改进的融合算法实现路径跟踪控制，其中主要的研究内容如下: (1)研究了自行车系统的结构，讨论无人自行车在运动状态和静止状态下的平衡原理。在二维平面内推导出其运动学方程。之后采用拉格朗日动力学建模法推导出带有惯性飞轮的无人自行车动力学模型。 (2)考虑对无人自行车的建模存在误差，将线性自抗扰控制应用到无人自行车平衡控制的设计中，使用线性扩张状态观测器(LESO)实现对系统内扰和外扰的估计和补偿，保证系统的控制精度。针对无人自行车的平衡控制设计了线性自抗扰控制器，并将其中的LESO进行离散化处理。 (3)搭建出机器人操作系统(ROS)仿真平台，设计了带有惯性飞轮的无人自行车URDF文件，开发出平衡控制和路径跟踪所涉及的功能节点。利用搭建好的仿真环境，首先针对没有惯性飞轮的无人自行车进行运动状态下的平衡控制;其次针对带有惯性飞轮的无人自行车进行静止状态下的平衡控制，并制定了两种平衡方案，与PID控制器进行对比。实验结果表明线性自抗扰控制下的无人自行车状态信息更加平稳，所设计的LADRC控制器比PID控制器的性能优异，具有更小的均方根误差，且对扰动的抑制能力更高。 (4)针对带有惯性飞轮的无人自行车，在实现其平衡控制的基础之上，通过Stanley算法将其改进，设计了一种改进的融合算法。实验结果表明，改进后的融合算法考虑了横向距离误差，更加完善地实现了对于曲线段的跟踪，弥补了纯跟踪算法的缺点，相比较之下具有更小的平均绝对误差。
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