姓名:张志彪          学号:16050120102

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【嵌牛导读】在环境污染日益严重的背景下，电动独轮车作为一种新型环保的代步工具，宣传绿行出行、低碳环保的生活理念。

【嵌牛鼻子】电力驱动    平衡

【嵌牛提问】电动独轮车是一种怎样的代步工具?有什么研究价值?

【嵌牛正文】电动独轮车是一种依靠电力驱动及自我平衡能力控制的代步工具。在社会飞速发展的今天，交通拥堵在很多大中城市也成了普遍现象，一款时尚、便捷的电动独轮车，让您享受穿梭于闹市的轻松与快乐以及上下班的快捷。

        电动独轮车是新一代的节能、环保、便携的代步工具。充电3-4小时，可以行驶15-30千米，短途代步非常方便，可以代替公交和地铁。电动独轮车体形小巧、携带方便，可以直接放进汽车的后备箱，提到家里或是办公室。

        为了进一步缓解大气污染和城市交通拥堵问题，小型化的短途交通工具也吸引着人们的关注，主要有电动自行车，电动机车，电动滑板车以及自平衡电动两轮、独轮车。其中，全球第一辆能够自主平衡的两轮移动交通工具，车体只有左右两个驱动轮。人站上去之后，可以实现自平衡，驾驶者让身体前倾或后仰，就能实现的前进、后退，这种车的应用场合广，比如机场、火车站的警察巡逻。

      自平衡电动两轮和独轮车由于机构的独特性，在静止状态下不能实现平衡，必须采用动态平衡原理才能实现正常运动。与两轮车相比，独轮车与地面仅有一个接触点，动态不平衡性更明显，但在实用性上，独轮车的占地面积较小，车体结构简单，运动轨迹更灵活易变，可以适应更复杂的地面环境，具备更加广阔的前景。自平衡载人电动独轮车的控制模型来源于独轮自平衡机器人，是一个高阶次、多变量、强稿合的非线性系统，同时自平衡载人电动独轮车的独立运动变量的数目小于系统自由度的数目，其动力学方程中存在非完整约束，所以自平衡载人电动独轮车也是一个欠驱动的非完整系统。正因为具备这些特殊性，对自平衡电动独轮车的研究除了在于解决独轮车使用过程中的一些问题以外，其控制策略为卫星飞行中的姿态控制、照相机防抖、火箭发射中的垂直度控制等实际系统提供了控制策略的方法论。因此，研究自平衡载人电动独轮车控制策略不仅具有一定的实际应用价值，而且具有重要的理论研究价值。

        自平衡电动独轮车属于独轮机器人应用实例的范畴，电动独轮车的研究理论基础来源于独轮机器人，而且在研究内容上具有很多相似性，所以有必要对独轮自平衡机器人进行一定的总结归纳。

      1980，日本学者发明了第一个独轮自平衡机器人系统，机器人的前后平衡是依靠轮子的转动来维持，左右平衡是依靠左右伸展的长机械臂上的质量块的移动来维持，虽然实验效果并不好，但是拉开了独轮自平衡机器人研究的序幕。随后美国、日本等国开始关注独轮自平衡机器人技术，在学术界和工业界中逐渐展开了相关研究工作。经过三十多年的研究，对于独轮机器人的本体机械结构设计、动力学建模与分析，控制系统设计等方面取得了很大的成果。放眼国内，由于我国对独轮机器人的研究工作起步较晚，与国外相比还存在一定的差距。

      典型的独轮自平衡机器人由于实现姿态平衡的原理不同，外形也存在着很大的差异，各国的学者研究的独轮机器人可以分为：质量块独轮机器人、水平转子独轮机器人、垂直转子独轮机器人、高速陀螺仪独轮机器人等。

      质量块独轮机器人采纳人在骑独轮车过程中重心调整的原理，通过左右方向质量块的移动或转动来维持独轮机器人的左右平衡。

      日本东京大学在1995年研制了这种独轮机器机器人的上半部分是由连接在一起的呈60°分布的三个质量块抅成，下半部分模仿人骑独轮车的过程，设计杆件1、2、3、4和车体构成两个闭环链结构，这两个闭环机构通过电机带动上下运动，类似于人两条腿交替运动，实现了独轮机器人的前后运动。这些仿生结抅有利于实现机器人的姿态平衡。

        整个系统在平衡点附近做线性化处理，然后将系统解耦为前后和左右两个动力学子系统，单个系统模型较为简单，采用了控制算法，实现了两个方向上的平衡。但是实验的结构并不理想，在平衡过程中存在较大的抖动。

        北京邮电大学的郭嘉、广启征等人也设计了这样一款独轮车机器人。电机全部为步进电机，电机驱动圆盘转动来调整车体航向；电机、调整配重块的位置来调整车体横滚角，实现左右平衡；电机、驱动车轮转动来调整车体俯仰角，实现前后平衡和车体速度的控制。

        郭盖、廖启征等人基于独轮车的非线性动力学模型，控制算法的设计是以非线性系统的线性化理论为依据，实现了对于输入的解耦，并搭建仿真系统验证了控制算法的有效性，但是有待进一步实验验证。

        水平转子独轮机器人在机器人顶端安装一个水平惯性轮，机器人向一个方向倾倒时，惯性轮同向加速旋转产生的扭转力矩带动机器人向此方向运动以此来保持机器人的平衡，非常类似于人骑独轮车的调节过程。

        斯坦福大学在1987年设计了这样一款独轮机器人。机器人主要由机器人车架、车轮、水平转子三部分抅成。水平转子转动时，类似于人在骑独轮车时腰部躯干和手臂的运动，以此保持独轮机器人的平衡。

      通过简化系统动力学模型，将系统线性化，采用最优控制方法实现了独轮机器人前后的平衡控制，没有实现机器人左右平衡。后来，麻省理工大学的人对该模型的控制方法做了进一步的研究，推导了独轮机器人的凯恩动力学方程，在航向角速度较低的情况下，将系统解耦为前后和侧面方向的动力学方程，并提出了一种改进LQG结构的控制方法，实现了机器人的侧向平衡，并使用控制器减小了偏航运动时非线性干摩擦对侧向平衡稳定性的影响。但是在航向角速度较大的情况下，独轮机器人的前后和侧向的非线性耦合是不能忽略的，对此他们并没有进一步研究。这也是水平转子独轮机器人存在的缺陷，因为耦合效应强而导致姿态平衡控制难度较大。

      美国加州大学在2007年研制了Unibot机器人。Unibot主要由车架、车轮、垂直转子构成。通过车轮的滚动实现机器人的前后平衡，通过垂直转子的转动实现了机器人人的左右平衡。该独轮机器人结合了轮式倒立摆理论和惯性轮倒立摆理论，对独轮机器人的研发有很大的启发。

        韩国釜山大学的研究团队从2011年也进行了垂直转子独轮机器人的相关研究。与美国加洲大学的研究方法一样，圣山大学的学者将系统解耦为前后和左右两个方向的子系统，控制方法采用PID和滑模控制算法。不仅实现了独轮机器人的姿态平衡，而且也实现了机器人的速度跟踪。但是研究并没有涉及独轮机器人的航向控制。