题目：两轮自平衡车的设计研究

近年来，两轮自平衡车作为一种轮式移动交通工具成为设计研究的一个热点，因而倍受关注。它体积小、结构简单、运动灵活、具有自平衡能力，将会在民用和军事上有广泛的应用。由于两轮自平衡车不稳定的动态特性，对它的平衡机理分析及控制系统设计有着重要的理论意义。本论文针对两轮自平衡车的设计开展研究工作，着重分析和研究了该车自平衡的平衡机理。在对国内外有关两轮自平衡车设计与研究现状进行分析和总结的基础上，确定了本文的设计方案；阐述了两轮自平衡车的系统构成，将其分为机械部分、传感器部分和控制部分三大部分；对两轮自平衡车机构系统进行了运动方案的设计；初步完成了车体等主要零部件的结构设计，并与选定的车轮和驱动系统相集成，完成了整车的设计。对车进行运动学分析获得车的运动特性，应用拉格朗日方程，建立车的动力学模型，并推导出了系统的状态方程，为控制方法和控制策略的研究奠定基础。论文重点进行了两轮自平衡车的平衡机理研究。给出了车在直线运动和转弯运动两种情况下的平衡条件。应用虚拟样机技术，在ADAMS软件环境下，创建该车的虚拟样机模型，通过仿真分析，验证了平衡条件的正确性。最后，对车的控制系统进行了设计分析。应用状态反馈的控制方法，在平衡点附近对系统模型进行线性化处理，证明了系统的可控性，并得出了控制范围。进一步将系统进行离散化处理后，分析了系统的能控性及能观性，并通过极点配置实现了状态反馈控制。