[發明專利]一種基于模型的自平衡無人駕駛自行車及其模型驅動的控制方法

有效

• 申請號: 201810081131.5
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN108357595B
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 孟濬;趙夕朦
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B62K3/00
• 分類號: B62K3/00;B62K11/00;B62J45/40;G05D1/02;G05D1/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

1.一種基于模型的自平衡無人駕駛自行車，其特征在于，包括自行車、傳感器模塊、車把控制模塊、車體中部控制模塊和車體后部控制模塊；

所述傳感器模塊用于測量自行車變量，所述自行車變量包括自行車車把偏轉角度α、自行車車體偏轉角度β、自行車后輪轉動角度

所述車把控制模塊位于自行車車把，通過重心調節機構調節車把的重心，實現車把偏轉角度α的調節；

所述車體中部控制模塊位于自行車車體中部，通過重心調節機構調節車體中部的重心；

所述車體后部控制模塊位于自行車后部，通過重心調節機構調節車體后部的重心，通過旋轉輪機構進行自行車后部的平衡控制和后輪旋轉控制；通過后輪旋轉控制實現自行車后輪轉動角度的調節；

所述車把控制模塊、車體中部控制模塊和車體后部控制模塊各自的重心調節機構和車體后部控制模塊的平衡控制，共同實現自行車車體偏轉角度β的調節；

所述自平衡無人駕駛自行車在工作狀態下需要由分別分布在三處的車把控制模塊、車體中部控制模塊和車體后部控制模塊三個模塊相互配合和調節，以實現該自行車的自平衡；

以車把控制模塊、車體中部控制模塊和車體后部控制模塊的控制變量為輸入，以自行車變量為輸出，結合自行車已知常量，建立自行車物理模型；

所述無人駕駛自行車物理模型為：

其中，m₁為前輪、后輪的質量，m₂為車架的質量，m₃為車把控制模塊的重心調節機構為滑桿機構時，滑塊配重的質量，m₄為車體中部控制模塊的重心調節機構為偏心輪時，偏心輪配重的質量，m₅為車體后部控制模塊的重心調節機構為偏心輪時，偏心輪配重的質量，m₆為車體后部控制模塊的旋轉輪機構為互相垂直的兩個旋轉輪時，兩個旋轉輪的總質量，r為前輪、后輪的半徑，r₁為車體中部偏心輪的半徑，r₂為車體后部偏心輪的半徑，h₂為車架質心的高度，h₃為車把滑塊配重的高度，h₄為車體中部偏心輪配重的高度，h₅為車體后部偏心輪配重的高度，h₆為車體后部兩個旋轉輪的重心高度，b為車把到前輪轉動軸線的間距；

以自行車物理模型的輸出與期望的自行車變量為控制器的輸入，以車把控制模塊、車體中部控制模塊和車體后部控制模塊的控制變量為控制器的輸出，建立控制器，不斷修正期望的自行車變量與實際采集的自行車變量之間的偏差，實現無人駕駛自行車的平衡控制；根據目標運動狀態，選擇期望的自行車變量，實現自行車的無人駕駛控制。

2.根據權利要求1所述的一種基于模型的自平衡無人駕駛自行車，其特征在于，所述車把控制模塊的重心調節機構為橫向放置于車把上的滑桿機構，車把控制模塊通過調節車把滑桿機構的滑塊位置進行車把重心的調節。

3.根據權利要求1所述的一種基于模型的自平衡無人駕駛自行車，其特征在于，所述車體中部控制模塊的重心調節機構為偏心輪，車體中部控制模塊通過調節偏心輪旋轉角度進行車體中部重心的調節。

4.根據權利要求1所述的一種基于模型的自平衡無人駕駛自行車，其特征在于，所述車體后部控制模塊的重心調節機構為偏心輪，車體后部控制模塊通過調節偏心輪旋轉角度進行車體后部重心的調節。

5.根據權利要求1所述的一種基于模型的自平衡無人駕駛自行車，其特征在于，所述車體后部控制模塊的旋轉輪機構為互相垂直的兩個旋轉輪：水平旋轉輪、豎直旋轉輪，豎直旋轉輪與水平旋轉輪相切，且與自行車后輪平行；車體后部控制模塊通過調節兩個旋轉輪的轉速進行自行車后部的平衡控制和后輪旋轉控制。