基于IMU/UWB的两轮自平衡车精准轨迹跟踪控制器设计与硬件实现

本文主要探讨了基于IMU（惯性测量单元）和UWB（超宽带）定位技术的两轮自平衡车轨迹跟踪控制器的设计与实现。两轮自平衡车的精确轨迹跟踪是实现其自主运动控制的关键技术，因为它需要车辆能够准确地跟随预设路径，确保动态稳定性和安全性。 首先，作者采用了拉格朗日法来建立两轮自平衡车的动力学模型，这是一种经典的方法，用于描述系统在力学环境下的行为。通过这种方法，研究者能够捕捉到车辆在运动中的各种物理效应，如加速度、转动等，这对于控制器的设计至关重要。 接着，提出的轨迹跟踪控制器融合了非奇异终端滑模（NTSM）和线性二次型调节器（LQR）两种先进的控制策略。NTSM算法以其快速响应和鲁棒性而闻名，有助于解决系统在接近目标状态时可能出现的奇异问题。同时，LQR作为一种经典的最优控制方法，可以最小化系统的状态误差，确保跟踪精度。 在Matlab/Simulink软件环境中，设计的控制器进行了性能仿真。仿真结果显示，两轮自平衡车能够有效地追踪给定的参考轨迹，这初步验证了所提控制策略的有效性和实用性。这些结果表明，该控制器能够实现车辆在理想条件下的精准运动控制。 然而，为了实现实时的硬件应用，文章进一步利用STM32F103C8T6单片机将控制器设计转化为实际硬件。在这个阶段，IMU提供车辆的姿态信息，而UWB定位技术则提供了精确的位置信息，两者相结合提高了轨迹跟踪的精度和稳定性。 实验结果显示，实际的两轮自平衡车在跟踪参考轨迹时表现出优异的性能，横坐标偏差保持在0.2米以内，纵坐标偏差同样小于0.2米，转向角偏差小于0.07弧度，车身倾角除了初期的波动外，整体保持在0.05弧度以下。这些数据证明了所设计的控制器在实际硬件平台上的有效性和稳健性。 总结来说，本文通过理论建模与仿真以及硬件实现，展示了如何通过集成IMU和UWB技术，设计出一个高效的两轮自平衡车轨迹跟踪控制器，从而推动了自动驾驶领域中两轮自平衡车的自主运动控制能力的提升。