科技与创新┃
Science and Technology & Innovation
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2018 年 第 20 期
文章编号:2095-6835(2018)20-0054-04
基于 ADAMS 与 MATLAB 的自平衡车系统控制仿真
*
戴 伟
1
,陈 峰
1
,张玉芳
2
(1.南通大学,江苏 南通 226019;2.无锡职业技术学院,江苏 无锡 214121)
摘 要:双轮自平衡车的自主平衡动态过程是一个复杂的非线性过程,定量观察比较困难,利用 ADAMS 和
MATLAB
构建的联合仿真研究可以较好地解决这一问题。通过
SoildWorks
搭建系统机械
3D
模型,将其导入
ADAMS 建立出虚拟样机系统;在 MATLAB/Simulink 中利用模块化结构构造出车辆平衡控制器;通过软件之间的
调用,就可以实现虚拟的机械力学系统与控制系统之间的信息交互,动态模拟出车辆平衡过程。仿真结果表明,
设计出的控制律能实现车辆自主平衡,并可以直观显示动态过程,为后续优化系统设计提供有力依据。
关键词:两轮平衡车;MATLAB/Simulink;ADAMS;动力学仿真
中图分类号:V414 文献标识码:A DOI:10.15913/j.cnki.kjycx.2018.20.054
1 概述
机电一体化系统往往都离不开机械系统和控制系统两
大核心。传统上把这 2 个系统进行分开设计,构建各自的实
物系统,然后进行调试。一旦出现问题,往往需要修改设备
硬件结构,费时费力。
为了解决这个问题,现代机电系统设计中引入了虚拟样
机技术,比如美国 Mechanical Dynamics 公司的 ADAMS 通
用机械系统动力学仿真软件
[1]
,德国 INTEC Gmbh 公司开发
的 SIMPACK 多体动力学分析软件包软件
[2]
等,其中 ADAMS
的应用最广泛。
利用这类软件,可以将物理机械系统在计算机中以三维
模型方式虚拟构建,并加以相应运动约束,使其尽量接近实
物系统,即所谓的“虚拟样机”。在产品研发过程中采用虚拟
样机技术,可在制造物理样机前进行虚拟测试以发现设计缺
陷,并直接进行修改,不仅缩减研发周期,更大幅降低研发
成本。在此基础上,还可以结合 MATLAB/Simulink 开发控
制模块,以共用虚拟模型的方式,实现虚拟机械与虚拟控制
系统之间的交互设计仿真,将力学原理与控制理论有机结合,
为解决机械系统的控制问题提供了一条高效的途径。
双轮自平衡车是一种结构简单、车体灵活、驱动高效的
机电系统,具有广泛的应用前景。其本质上是一个复杂非线
性、不稳定的欠驱系统,也是进行控制实验研究的理想的平
台。以 ADAMS 中设计的虚拟机械模型和 MATLAB 中建立
的平衡控制模型为基础,通过数据交互构建联合仿真系统,
可以高效分析系统运动学和动力学特性。
2 自平衡车的动力学建模
自平衡车作为一种机电系统,常用的动力学建模方法有
拉格朗日法
[3]
、牛顿—欧拉方程
[4]
、高斯原理
[5]
、阿佩尔方
程
[6]
、凯恩法
[7]
以及旋量对偶数法
[8]
等。
2.1 两轮自平衡车的平衡原理
自平衡车本质上是一级直线倒立摆。平衡车的 2 个驱动
轮转轴处于一条直线,通过与之相连的左右 2 个相同规格直
流有刷电机进行驱动,车身可以围绕该转轴线进行前后转动。
当车身出现向某个方向的倾斜时,可以通过驱动车辆向相同
方向的加速运动,使车体恢复平衡状态。
2.2 建立参考坐标系
为了便于分析,对系统作一定程度的简化。建模中认为
系统运行道路环境平坦,且粘滞摩擦以及库伦摩擦对车体运
动的影响忽略不计。忽略
传感器支架的质量对于
车体重心和质心影响。简
化的机械结构如图 1 所示
选取参考坐标系为:
将平衡车左右 2 个车轮的
车轴所在直线设为 X 轴,
把小车前进的方向设为 Y
轴,2 车轮车体重心与地
面的垂线的方向设为 Z 轴,
选定的正向为右轮方向,
转角的方向以笛卡尔坐标为原则。 图 1 车体的右视图
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基金项目
]
江苏省科技项目
-
基础研究计划
-
面上项目(编号:
BK20151273
);南通市科技计划项目(编号:
MS12015012
);南
通大学实验教学改革专项(编号:2014C08)