各位老师，大家好，我是XX，今天我的答辩题目是基于滑模变结构的自行车机器人算法研究，我的指导老师是陈龙老师。

我的答辩一共分为三个部分，第一部分是课题背景及意义，第二部分是国内外研究现状，第三部分是研究思路及内容。

在第一部分主要介绍研究背景和研究意义，自控制论创立以来，自动控制理论得到了长足的进步，在许多领域得到越来越广泛的应用。而我们的研究对象自行车机器人是智能控制与自行车行驶机构结合的产物，一方面继承了自行车的优点，另一方面可以作为一种无人驾驶的交通工具，具有广阔的应用前景。

而且它相对于空中机器人和四轮机器人，有其独特的优点。但自平衡自行车机器人在任务过程中，很容易受到外力的撞击倾倒翻车而无法继续执行任务。所以开展自平衡自行车机器人的运行平稳性研究具有重要的理论意义和现实需求。

第二部分是介绍国内外研究现状，自行车机器人是一个多体机械系统，由前轮、后轮、车架和车把共4个刚体组成，踏板、制动、车链等其他影响因素则被忽略，常见的机器人进行动力学建模方法有两种，第一种考虑系统各部件间的相互作用力及力矩，适用于结构简单、活动部件不多的机械系统，第二种则是计算系统的动能、势能以及它们的导数、偏导数，由于我们系统只考虑前轮、后轮、车架和车把四个部分，结构较为简单，所以我们采用第一种建模方法。

而为了实现自行车机器人的自平衡，我们采用的控制方法是滑模控制，他的优点是对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性，但也会造成系统控制器的输出具有抖动的问题。

而为了解决抖振问题，常见的解决方法有准滑动模态控制法、趋近律方法、干扰观测器法、神经网络法，它们有各自的优点，能够有效地避免或削弱了抖振。

第三部分是介绍研究思路及内容，主要介绍如何建立自行车模型和建立滑动变结构控制。

首先介绍自行车模型的建立，左图是自行车模型的抽象图，分别代表自行车的前轮、后轮、车架和车把四个部分，右图则是针对自行车建立的立体模型，其中代表自行车的转向角度，代表自行车的倾斜角度，我们的控制结果是使自行车的倾斜角度保持在0，使自行车保持平衡，不至于翻倒。

图a是自行车模型在水平面转动的抽象图。由于角动量等于转动惯量乘以角速度，自行车在转动时主要有水平面的转动和绕Z轴的转动，得到下面系统X轴的角动量的公式，而根据角动量平衡，刚体所受的合外力矩等于刚体的角动量对时间的变化率，在只考虑重力矩和离心力矩得到下面的公式。

根据上面公式，可以得到系统方程，代入M、N、Q，得到化简后的系统方程，考虑系统误差，将参数分为确定项和不确定项，得到右边的式子，其中p是所有干扰因素的集合。

为了实现我们的控制效果，建立滑模面s，其中e代表跟踪误差，代表自行车实际倾斜角度和理想倾斜角度之间的差值，而我们需要实现平衡自行车，所以理想倾斜角度为0，对e求两次导可以得到下面的式子，为了减小抖振，选择指数趋近律，通过移动得到下面的控制律。定义李雅普诺夫函数为1/2s方，得到V导小于零，证明了其可达性。下图是对模型进行的仿真，在这里在原干扰基础上，增大了干扰，在控制律的影响下，倾斜角度很快变为0，保持了自行车的平衡。但是我们这里取的D是基于干扰的上界，会造成较大的抖振，为了解决这个问题，有下面的改进方案。

一是通过观测器及其他方式对干扰和系统误差进行观测，降低控制输入的抖振，二是改进滑模面，提高收敛的速度，三是合理分析和设计参数，避免出现超调等的问题。