姓名:張志彪? ? ? ? ? 學號:16050120102

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【嵌牛導讀】在環境污染日益嚴重的背景下，電動獨輪車作為一種新型環保的代步工具，宣傳綠行出行、低碳環保的生活理念。

【嵌牛鼻子】電力驅動? ? 平衡

【嵌牛提問】電動獨輪車是一種怎樣的代步工具?有什么研究價值?

【嵌牛正文】電動獨輪車是一種依靠電力驅動及自我平衡能力控制的代步工具。在社會飛速發展的今天，交通擁堵在很多大中城市也成了普遍現象，一款時尚、便捷的電動獨輪車，讓您享受穿梭于鬧市的輕松與快樂以及上下班的快捷。

? ? ? ? 電動獨輪車是新一代的節能、環保、便攜的代步工具。充電3-4小時，可以行駛15-30千米，短途代步非常方便，可以代替公交和地鐵。電動獨輪車體形小巧、攜帶方便，可以直接放進汽車的后備箱，提到家里或是辦公室。

? ? ? ? 為了進一步緩解大氣污染和城市交通擁堵問題，小型化的短途交通工具也吸引著人們的關注，主要有電動自行車，電動機車，電動滑板車以及自平衡電動兩輪、獨輪車。其中，全球第一輛能夠自主平衡的兩輪移動交通工具，車體只有左右兩個驅動輪。人站上去之后，可以實現自平衡，駕駛者讓身體前傾或后仰，就能實現的前進、后退，這種車的應用場合廣，比如機場、火車站的警察巡邏。

? ? ? 自平衡電動兩輪和獨輪車由于機構的獨特性，在靜止狀態下不能實現平衡，必須采用動態平衡原理才能實現正常運動。與兩輪車相比，獨輪車與地面僅有一個接觸點，動態不平衡性更明顯，但在實用性上，獨輪車的占地面積較小，車體結構簡單，運動軌跡更靈活易變，可以適應更復雜的地面環境，具備更加廣闊的前景。自平衡載人電動獨輪車的控制模型來源于獨輪自平衡機器人，是一個高階次、多變量、強稿合的非線性系統，同時自平衡載人電動獨輪車的獨立運動變量的數目小于系統自由度的數目，其動力學方程中存在非完整約束，所以自平衡載人電動獨輪車也是一個欠驅動的非完整系統。正因為具備這些特殊性，對自平衡電動獨輪車的研究除了在于解決獨輪車使用過程中的一些問題以外，其控制策略為衛星飛行中的姿態控制、照相機防抖、火箭發射中的垂直度控制等實際系統提供了控制策略的方法論。因此，研究自平衡載人電動獨輪車控制策略不僅具有一定的實際應用價值，而且具有重要的理論研究價值。

? ? ? ? 自平衡電動獨輪車屬于獨輪機器人應用實例的范疇，電動獨輪車的研究理論基礎來源于獨輪機器人，而且在研究內容上具有很多相似性，所以有必要對獨輪自平衡機器人進行一定的總結歸納。

? ? ? 1980，日本學者發明了第一個獨輪自平衡機器人系統，機器人的前后平衡是依靠輪子的轉動來維持，左右平衡是依靠左右伸展的長機械臂上的質量塊的移動來維持，雖然實驗效果并不好，但是拉開了獨輪自平衡機器人研究的序幕。隨后美國、日本等國開始關注獨輪自平衡機器人技術，在學術界和工業界中逐漸展開了相關研究工作。經過三十多年的研究，對于獨輪機器人的本體機械結構設計、動力學建模與分析，控制系統設計等方面取得了很大的成果。放眼國內，由于我國對獨輪機器人的研究工作起步較晚，與國外相比還存在一定的差距。

? ? ? 典型的獨輪自平衡機器人由于實現姿態平衡的原理不同，外形也存在著很大的差異，各國的學者研究的獨輪機器人可以分為：質量塊獨輪機器人、水平轉子獨輪機器人、垂直轉子獨輪機器人、高速陀螺儀獨輪機器人等。

? ? ? 質量塊獨輪機器人采納人在騎獨輪車過程中重心調整的原理，通過左右方向質量塊的移動或轉動來維持獨輪機器人的左右平衡。

? ? ? 日本東京大學在1995年研制了這種獨輪機器機器人的上半部分是由連接在一起的呈60°分布的三個質量塊抅成，下半部分模仿人騎獨輪車的過程，設計桿件1、2、3、4和車體構成兩個閉環鏈結構，這兩個閉環機構通過電機帶動上下運動，類似于人兩條腿交替運動，實現了獨輪機器人的前后運動。這些仿生結抅有利于實現機器人的姿態平衡。

? ? ? ? 整個系統在平衡點附近做線性化處理，然后將系統解耦為前后和左右兩個動力學子系統，單個系統模型較為簡單，采用了控制算法，實現了兩個方向上的平衡。但是實驗的結構并不理想，在平衡過程中存在較大的抖動。

? ? ? ? 北京郵電大學的郭嘉、廣啟征等人也設計了這樣一款獨輪車機器人。電機全部為步進電機，電機驅動圓盤轉動來調整車體航向；電機、調整配重塊的位置來調整車體橫滾角，實現左右平衡；電機、驅動車輪轉動來調整車體俯仰角，實現前后平衡和車體速度的控制。

? ? ? ? 郭蓋、廖啟征等人基于獨輪車的非線性動力學模型，控制算法的設計是以非線性系統的線性化理論為依據，實現了對于輸入的解耦，并搭建仿真系統驗證了控制算法的有效性，但是有待進一步實驗驗證。

? ? ? ? 水平轉子獨輪機器人在機器人頂端安裝一個水平慣性輪，機器人向一個方向傾倒時，慣性輪同向加速旋轉產生的扭轉力矩帶動機器人向此方向運動以此來保持機器人的平衡，非常類似于人騎獨輪車的調節過程。

? ? ? ? 斯坦福大學在1987年設計了這樣一款獨輪機器人。機器人主要由機器人車架、車輪、水平轉子三部分抅成。水平轉子轉動時，類似于人在騎獨輪車時腰部軀干和手臂的運動，以此保持獨輪機器人的平衡。

? ? ? 通過簡化系統動力學模型，將系統線性化，采用最優控制方法實現了獨輪機器人前后的平衡控制，沒有實現機器人左右平衡。后來，麻省理工大學的人對該模型的控制方法做了進一步的研究，推導了獨輪機器人的凱恩動力學方程，在航向角速度較低的情況下，將系統解耦為前后和側面方向的動力學方程，并提出了一種改進LQG結構的控制方法，實現了機器人的側向平衡，并使用控制器減小了偏航運動時非線性干摩擦對側向平衡穩定性的影響。但是在航向角速度較大的情況下，獨輪機器人的前后和側向的非線性耦合是不能忽略的，對此他們并沒有進一步研究。這也是水平轉子獨輪機器人存在的缺陷，因為耦合效應強而導致姿態平衡控制難度較大。

? ? ? 美國加州大學在2007年研制了Unibot機器人。Unibot主要由車架、車輪、垂直轉子構成。通過車輪的滾動實現機器人的前后平衡，通過垂直轉子的轉動實現了機器人人的左右平衡。該獨輪機器人結合了輪式倒立擺理論和慣性輪倒立擺理論，對獨輪機器人的研發有很大的啟發。

? ? ? ? 韓國釜山大學的研究團隊從2011年也進行了垂直轉子獨輪機器人的相關研究。與美國加洲大學的研究方法一樣，圣山大學的學者將系統解耦為前后和左右兩個方向的子系統，控制方法采用PID和滑模控制算法。不僅實現了獨輪機器人的姿態平衡，而且也實現了機器人的速度跟蹤。但是研究并沒有涉及獨輪機器人的航向控制。