《工程科学学报》采用稿，hp/aig/生程料学学报2180咒.©北京科技大学2020 DOI: 基于Udwadia-Kalaba理论的自行车机器人平衡 控制方法研究 张佳乐)，赵睿英区，冯艳丽2，杨皓)，武琳琳) 1)长安大学工程机械学院公路养护装备国家工程实验室，陕西西安710064 2) 西北工业大学航天学院，陕西西安710068 ☒通信作者，E-mail:ruiying.zhao@chd.edu.cn 出版稿 摘要针对自行车机器人侧向自平衡问题，以一类装有角动量轮的自行车机器人为研究对象，提出一种新的平衡控 制方法。该方法根据自行车机器人静止时刻的侧向平衡条件，构造机器大平衡控制的运动学约束，并将平衡约束视 为控制目标。基于Udwadia-Kalaba(U-K)理论，建立满足机器人侧尚平衡的扭矩解析模型，设计基于模型的平衡约 束跟随控制器。研究结果表明，所提控制方法能够实现自车需人的侧向平衡，克服机器人侧向横滚角日初始偏 差的干扰，通过对平衡扭矩模型的计算，对自行车机器人进动平衡控制。相较于传统PD反馈控制方法，该种基 于模型设计的控制方法，具有系统响应速度快、超调量和轻制扭矩易于优化等特点。借助MATLAB软件，对所提 控制方法进行了仿真验证，实现了初始横滚角速度分别为Qs、1s、2s、5s条件下的自行车机器人侧向自平衡控 制，仿真结果验证了控制系统的稳定性和有效性，为无人驾驶自行车机器人的平衡控制领域提供了一个新的思路。 关键词自行车机器人；角动量轮：Udwadia-Kalaba理论：自平衡控制：PD控制 分类号TM911.3 Study on balance control method of bicycle Robot based on Udwadia- Kalaba theory ZHANG Jia-le ZHAO Rui-ying,FENG Yan-IP YANG Hao,WU Lin-lin 1)National Epgineering Laboratory for Highway Maintenance Equipment,Chang 'an University,School of Construction Machinery,Shaanxi,Xi an,710064 2)College of Astronautics,Northwestern Polytechnical University,Shaanxi,Xi'an,710068 Corresponding author,E-mail:ruiying.zhao@chd.edu.cn ABSTRACT In the 21st century,with the rapid development of computing and sensing technology,autonomous driving has become a hot and important research topic.The vast market for bicycles creates huge opportunities for driverless bikes.Unmanned bicycle robot has the characteristics of flexible movement and narrow body,so it can be widely used in disaster area rescue,entertainment performance,and transportation scenes,so many scholars have studied and paid attention to this type of bicycle.For the lateral self-balancing problem of bicycle robot,a new balance control method is studied for a 投稿日期：2021-8-27 基金项自：中国博士后科学基金第14批特别资助(2021T140585)、陕西省重点研发计划项目(2021 ZDLGY09-02)、陕西 省自然科学基础研究计划面上项目(2020JM-240)和中央高校基本科研业务费资助项目(300102251202)工程科学学报 DOI: 基于 Udwadia-Kalaba 理论的自行车机器人平衡 控制方法研究 张佳乐 1)，赵睿英 1)，冯艳丽 2)，杨皓 1)，武琳琳 1) 1) 长安大学工程机械学院公路养护装备国家工程实验室，陕西 西安 710064 2) 西北工业大学航天学院，陕西 西安 710068  通信作者, E-mail: ruiying.zhao@chd.edu.cn 摘 要 针对自行车机器人侧向自平衡问题，以一类装有角动量轮的自行车机器人为研究对象，提出一种新的平衡控 制方法。该方法根据自行车机器人静止时刻的侧向平衡条件，构造机器人平衡控制的运动学约束，并将平衡约束视 为控制目标。基于 Udwadia-Kalaba（U-K）理论，建立满足机器人侧向平衡的扭矩解析模型，设计基于模型的平衡约 束跟随控制器。研究结果表明，所提控制方法能够实现自行车机器人的侧向平衡，克服机器人侧向横滚角 θ 初始偏 差的干扰，通过对平衡扭矩模型的计算，对自行车机器人进行主动平衡控制。相较于传统 PD 反馈控制方法，该种基 于模型设计的控制方法，具有系统响应速度快、超调量小和控制扭矩易于优化等特点。借助 MATLAB 软件，对所提 控制方法进行了仿真验证，实现了初始横滚角速度分别为 0°/s、1°/s、2°/s、5°/s 条件下的自行车机器人侧向自平衡控 制，仿真结果验证了控制系统的稳定性和有效性，为无人驾驶自行车机器人的平衡控制领域提供了一个新的思路。 关键词 自行车机器人；角动量轮；Udwadia-Kalaba 理论；自平衡控制；PD 控制 分类号 TM911.3 Study on balance control method of bicycle Robot based on Udwadia￾Kalaba theory ZHANG Jia-le1) , ZHAO Rui-ying1)  , FENG Yan-li 2) , YANG Hao1) , WU Lin-lin1) 1) National Engineering Laboratory for Highway Maintenance Equipment, Chang 'an University, School of Construction Machinery, Shaanxi, Xi 'an, 710064 2) College of Astronautics, Northwestern Polytechnical University, Shaanxi, Xi 'an, 710068  Corresponding author, E-mail: ruiying.zhao@chd.edu.cn ABSTRACT In the 21st century, with the rapid development of computing and sensing technology, autonomous driving has become a hot and important research topic. The vast market for bicycles creates huge opportunities for driverless bikes. Unmanned bicycle robot has the characteristics of flexible movement and narrow body, so it can be widely used in disaster area rescue, entertainment performance, and transportation scenes, so many scholars have studied and paid attention to this type of bicycle. For the lateral self-balancing problem of bicycle robot, a new balance control method is studied for a 投稿日期:2021-8-27 基金项目:中国博士后科学基金第 14 批特别资助(2021T140585)、陕西省重点研发计划项目(2021ZDLGY09-02)、陕西 省自然科学基础研究计划面上项目(2020JM-240)和中央高校基本科研业务费资助项目(300102251202) 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.08.27.007 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿