基于LuGre摩擦模型的两轮自平衡车系统动力学

王海明; 张欣刚; 姚文莉

doi:10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.012

山东科技大学学报（自然科学版） ›› 2023, Vol. 42 ›› Issue (05) : 108 -116. DOI: 10.16452/j.cnki.sdkjzk.2023.05.012

基于LuGre摩擦模型的两轮自平衡车系统动力学

王海明, 张欣刚, 姚文莉

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摘要

准确描述轮式机器人系统的运动状态是对其进行轨迹控制的关键，而当驱动轮与地面存在相对滑移或侧滑时，添加非完整约束的动力学描述方法通常会失效。为了得到适用于非结构化环境的轮式机器人动力学模型，本研究以两轮自平衡车为例，为LuGre模型添加摩擦力，以描述驱动轮与地面之间的粘滞-滑移效应；基于虚功率原理，建立包含摩擦力的轮式机器人系统动力学方程，并针对不同驱动力及不同工况条件对系统进行了动力学仿真及分析。仿真结果表明：相比于传统的添加非完整约束，基于LuGre摩擦模型的动力学建模方法可以有效侦测到驱动轮与地面的相对滑移及侧滑状态，在真实工况下反映系统动力学行为方面表现出有效性和优越性，为轮式机器人后续的优化设计及轨迹控制提供理论依据。