摘要：两轮平衡车是轮式机器人的典型代表，具有结构简单和控制方式灵活等特点，被广泛地应用到社会各个领域。两轮平衡车在结构上类似于倒立摆，其核心在于平衡控制。本文所研究的两轮平衡车有两个共轴的独立驱动轮，通过检测小车的车身倾角和电机转速，并结合其系统数学模型和控制算法来实现两轮车的平衡控制。

本文首先通过拉格朗日法建立起两轮平衡车系统的动力学模型，进一步得到系统的状态空间方程，完成在理论层面对两轮车平衡系统的分析；接着通过虚拟样机技术，在SolidWorks软件下设计平衡小车及路面的三维模型，在ADAMS下导入SolidWorks绘制的模型并进一步构建虚拟样机，实现其机械仿真模型的建立；然后在MATLAB/Simulink软件下搭建PID控制算法框图，完成其控制仿真模型的搭建；最后在ADAMS中导出平衡车的控制参数并且将其加载到MATLAB/Simulink的算法框图中，通过二者的联合动态仿真最终完成对小车平衡控制系统的验证。

本文借助SolidWorks和ADAMS软件建立起两轮平衡车的虚拟仿真样机，通过利用MATLAB/Simulink和ADAMS软件完成了对小车整体平衡控制算法的验证。系统联合动态仿真试验的最终结果表明本文设计的两轮平衡车系统控制性能稳定，能够实现小车的原地平衡和行进平衡，并且具有一定的抗干扰能力，证明了该项设计的可行性。

关键词：平衡小车，虚拟样机，PID控制，联合仿真

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论-1

1.1 两轮平衡车的研究背景和意义-1

1.1.1 研究背景-1

1.1.2 研究意义-2

1.2 两轮平衡车的国内外研究概况-2

1.2.1 国外研究概况-2

1.2.2 国内研究概况-4

1.3 本文的研究内容-5

第二章 两轮平衡车系统动力学建模-7

2.1 引言-7

2.2 模型化简与建模假设-7

2.2.1 机械结构化简-7

2.2.2 运行环境假设-8

2.3 坐标系建立及参数确定-8

2.4 系统速度计算-10

2.4.1 车身平动速度-11

2.4.2 车身转动速度-12

2.4.3 车轮平动及转动速度-12

2.5 能量表达式计算-13

2.6 动力学模型建立-14

第三章 两轮平衡车的机械仿真模型-18

3.1 基于ADAMS的虚拟样机技术-18

3.2 绘制小车三维模型-18

3.3 构建ADAMS仿真模型-19

第四章 平衡控制系统仿真模型-22

4.1 引言-22

4.2 PID控制算法-22

4.3 直立平衡控制策略-23

4.4 直立平衡控制仿真模型-25

第五章 联合动态仿真试验-26

5.1 联合仿真简介-26

5.2 创建联合控制系统-27

5.2.1 创建输入输出状态变量-27

5.2.2 ADAMS导出机械系统-29

5.2.3 MATLAB导入机械模型-29

5.3 PID参数整定-30

5.4 初始原地平衡及扰动试验-32

5.4.1 初始原地平衡-32

5.4.2 扰动试验-33

第六章 总结和展望-35

参考文献-36

致    谢-37