大学毕业论文-—低重心式两轮车动力学建模与分析.doc
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1、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郑重承诺: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谢的地方外,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谢意。作 者 签 名
2、: 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内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明本人郑重声明: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内容外,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
3、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 日学位论文版权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内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。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日指导教师评阅书指导教师评价:一、撰写(设计)过程1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业
4、知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格
5、 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)指导教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价:一、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)水平1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及
6、格 不及格建议成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)评阅教师: (签名) 单位: (盖章)年 月 日低重心式两轮车动力学建模与分析教研室(或答辩小组)及教学系意见教研室(或答辩小组)评价:一、答辩过程1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文(设计)质量1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格三、论文(设计)水平1
7、、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩: 优 良 中 及格 不及格(在所选等级前的内画“”)教研室主任(或答辩小组组长): (签名)年 月 日教学系意见:系主任: (签名)年 月 日摘 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
8、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
9、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- III -低重心式两轮车动力学建模与分析Dynamic Modeling and Analyzing of a Twowheeled Vehicle with Lo
10、w-gravityAbstract 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-bala
11、nced 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
12、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 fact
13、ors 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 rapi
14、d 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 phenomeno
15、n 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 ro
16、bot in detail, we get robots model of kinetic energy and potential energy. Two-wheeled self-balanced robots dynamic model is established by using Lagrange equation, and it will provide a theoretical basis for the controller design.Simulation is developed derived dynamic model above using MATLAB to p
17、rove the effectiveness. At last we obtain the desired experimental curve of the displacement, velocity, tilt angle of the two wheeled vehicle with lower-gravity. The analysis of the simulink results are conducted to ensure the validity and efficacy of the proposed dynamic model.Key Words:Two-wheeled
18、 Vehicle;Nonholonomic;Dynamic Model; Lagrange multiplier- VII -目 录摘 要IAbstractII1 文献综述11.1 课题背景11.2 两轮自平衡机器人的研究现状21.2.1 两轮自平衡机器人的国外研究现状21.2.2 两轮自平衡机器人国内研究现状51.3典型两轮自平衡机器人系统性能分析与比较71.4两轮自平衡机器人研究发展趋向91.5课题的意义及研究的主要内容102 低重心式两轮车样机介绍112.1 引言112.2 低重心式两轮车构型设计介绍112.3低重心式两轮车磁流变阻尼器减震设计122.3.1 磁流变液122.3.2 剪切
19、式磁流变旋转阻尼器的结构及其工作原理132.4低重心式两轮车运动机理分析142.4.1 低重心式两轮车前向运动机理分析142.4.2 低重心式两轮车转向运动机理分析152.5 本章小结163 基于拉格朗日方程的系统动力学建模173.1 引言173.2典型的动力学建模方法173.3低重心式两轮车动力学建模的理论基础193.3.1 非完整系统概述193.3.2 广义坐标与约束力193.3.3 基本形式的拉格朗日方程203.4 低重心式两轮车动力学建模的假设条件233.5 低重心式两轮车动力学建模的系统坐标系243.6 低重心式两轮车约束力模型243.7 低重心式两轮车动能模型253.7.1低重心式
20、两轮车的车轮动能模型253.7.2低重心式两轮车的配重动能模型283.8低重心式两轮车的势能模型283.9低重心式两轮车的磁流变阻尼力矩模型293.9.1剪切式磁流变液阻尼器磁场诱导阻尼力矩的计算293.9.2剪切式磁流变液阻尼器粘性阻尼力矩的计算293.10低重心式两轮车完整动力学模型303.11低重心式两轮车的完整动力学模型的处理333.12本章小结354 低重心式两轮车MATLAB仿真364.1 引言364.2 低重心式两轮车MATLAB仿真分析364.3 低重心式两轮车MATLAB仿真模型374.4 低重心式两轮车前向运动仿真分析384.5 低重心式两轮车零半径转向运动仿真分析404.
21、6 低重心式两轮车任意半径转向运动仿真分析424.7 磁流变阻尼仿真分析444.8 本章小结47结 论48参 考 文 献49致 谢50低重心式两轮车动力学建模与分析1 文献综述1.1 课题背景随着科学技术的发展和人类活动范围的扩大,机器人特别是移动机器人在太空探索、军事、工业、消防、反恐等领域中的应用越来越广泛。轮式机器人由于具有运动平稳、容易控制,转向灵活的优点,从机器人研究伊始就吸引了众多研究人员的目光。在轮式机器人工作过程中可能会遇到工作区域狭窄、路面不平等复杂多变的工作环境在这种情况下要求两轮车经常转向,如何在这样复杂多变的环境里灵活快捷的完成任务,使机器人不但能够适应特定的环境及任务
22、需求,而且在动态变化的复杂未知环境中也能够体现出高度的灵活适应性,成为一个值得重点研究的课题。在这种应用背景下两轮自平衡机器人应运而生。在结构上两轮自平衡机器人系统的两个车轮位于同一轴线上,同时两个车轮分别由直流伺服电机独立驱动,通过运动保持动态自平衡。两轮自平衡机器人作为一个新兴的研究方向,结合了轮式与自主移动机器人的特点,为传统的机器人技术注入了新的生机与活力。与传统的轮式移动机器人相比,两轮自平衡机器人具有在以下方面展现出极大的优势: 转弯半径为零:机器人能绕机器人本体中心旋转,因此有利于在狭窄场所改变方向,可以在小空间范围灵活运动,移动轨迹更为灵活易变,弥补了传统多轮机器人布局的缺点。
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