基于反馈线性化的两轮自平衡汽车侧倾动态响应控制

熊宇聪，张 猛,2

（1.北京控制工程研究所，北京 100089；2.北京轩宇空间科技有限公司，北京 100089）

0 引言

随着智能交通工具研究的兴起，具有侧倾控制的两轮自平衡汽车凭借其外形轻巧、驾驶灵活等优点受到了国内外的广泛关注[1]。两轮汽车的动力学模型是典型的非线性欠驱动非完整约束系统[2]，在无相对滑动的理想情况下，两轮汽车的前后轮的横向和纵向运动均受到由地面形成的非完整约束，且两轮汽车在侧倾方向无直接驱动激励，因此在极低速行驶或静止的情况下，无法保持车身的平衡[3]。目前，针对两轮汽车模型欠驱动的特点，相关研究人员提出了多种控制机构以维持两轮汽车的自平衡，包括方向转向[4]，重量平衡体[5]和控制力矩陀螺仪（CMG）[6]三种控制机构。相较而言，控制力矩陀螺仪具有输出力矩大、易于使用电气控制等优点[6]，因此获得了广泛研究。通过控制力矩陀螺仪提供侧倾方向力矩，控制两轮汽车在侧倾方向获得期望的姿态响应是两轮自平衡汽车的关键技术之一。

文献[6]利用Euler-Lagrange方法推导了基于单个控制力矩陀螺仪两轮汽车的动力学模型，给出了一种基于模型的双环自抗扰控制方法（Active Disturbance Rejection Control），这种控制方法主要采用两个串联扩展状态观测器和两个具有自抗扰作用的状态反馈控制律，实现了两轮汽车的在侧倾角为2°范围内恢复平衡和对侧倾方向姿态干扰的抑制。文献[7]利用Euler-Lagrange方法推导了与文献[6]相似的两轮汽车动力学模型，并对得到的非线性模型在平衡点处进行了线性化，设计了状态反馈控制方法，使两轮自平衡汽车可从侧倾角为3°左右恢复平衡。……