南太湖新工科产业学报

3136-2249

求真学术出版

a5fda0bb-dd25-486a-ab03-fefce0ae1402

10.68249/jstnei.2026.0011

0011

欠驱动自行车机器人动态平衡建模与三环PID控制研究

关皓轩北华航天工业学院电子与控制工程学院段雨薇北华航天工业学院电子与控制工程学院李思奇北华航天工业学院电子与控制工程学院

2026729

11 5964

针对欠驱动自行车机器人的动态平衡控制能力不足问题,本文设计了一种三环PID动态平衡控制器，该方法采用建立动力学模型，通过拉格朗日方法进行数学分析，分析车体倾角、飞轮转速和电机力矩之间的闭环传递函数关系。在动力学模型建立的条件下，设计了速度环、角度环和角速度环组成的三环PID控制器，同时利用小角度线性化模型对系统稳定性进行分析。最后通过实车实验结果表明，该三环控制方法能够使自行车机器人在一定倾角范围内保持平衡，受到外部扰动后也能较快恢复稳定。

欠驱动自行车机器人动态平衡反作用飞轮三环PID姿态控制

CC BY-NC-ND 4.0

[1]Meijaard J P, Papadopoulos J M, Ruina A, et al. Linearized dynamics equations for the balance and steer of a bicycle: a benchmark and review[J]. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2007, 463(2084): 1955-1982.

[2]Åström K J, Klein R E, Lennartsson A. Bicycle dynamics and control: adapted bicycles for education and research[J]. IEEE Control Systems Magazine, 2005, 25(4): 26-47.

[3]Getz N H, Marsden J E. Control for an autonomous bicycle[C]// Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. Nagoya, Japan: IEEE, 1995: 1397-1402.

[4]Block D J, Åström K J, Spong M W. The Reaction Wheel Pendulum[M]. San Rafael: Morgan & Claypool Publishers, 2007.

[5]Spong M W, Hutchinson S, Vidyasagar M. Robot Modeling and Control[M]. New York: John Wiley & Sons, 2006.

[6]Siqi Li, Haoxuan Guan, Jingzhong Ge, etal. Mathematical Modeling and Vision-Guided Triple-Loop Control of an Underactuated Bicycle Robot[J]. Mathematics, 2026, 14(12): 2160.

[7]Ogata K. Modern Control Engineering[M]. 5th ed. New Jersey: Prentice Hall, 2010.

[8]刘金琨. 先进PID控制及其MATLAB仿真[M]. 北京: 电子工业出版社, 2020.

[9]Duc L T, Sy P H, Van D P, et al. Observer-Based Hybrid PID Control for Trajectory Tracking of Wheeled Mobile Robot Subject to Disturbances[C]. Advances in Information and Communication Technology. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 1205. Springer, Cham, 2025: 566-574.