[發明專利]一種基于行為驅動的自平衡無人駕駛自行車及其分解關鍵平衡的控制方法

有效

• 申請號: 201810081384.2
• 申請日: 2018-01-26
• 公開（公告）號: CN108189955B
• 公開（公告）日: 2019-07-09
• 發明（設計）人: 孟濬;趙夕朦
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B62M6/45
• 分類號: B62M6/45;B62J99/00;B62M6/50
• 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

本發明公開了一種基于行為驅動的自平衡無人駕駛自行車及其分解關鍵平衡的控制方法，該自平衡無人駕駛自行車包括自行車、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。該控制方法包括自平衡控制和無人駕駛控制兩部分。自平衡控制在自行車前中后部分別建立坐標系，將自行車變量在該坐標系下進行分解，然后將控制器變量投影到該坐標系建立關聯，最終基于分解關鍵平衡實現自行車的自平衡。本發明的無人駕駛自行車通過耦合的控制方法可以在多種運動狀態下具有自平衡功能，同時采用的是間接驅動的方法，并不需要對普通自行車進行進一步的改裝，只需要將三個控制器模塊安裝在普通自行車上，就可以實現自行車的自平衡和無人駕駛。

技術領域

本發明涉及交通領域，具體涉及一種基于行為驅動的自平衡無人駕駛自行車及其分解關鍵平衡的控制方法。

背景技術

自行車作為一種傳統的交通工具，具有車體窄小、機構簡單、能作小半徑回轉、方便靈活、無污染、無噪聲、無需能源、售價低廉等優勢，在道路擁擠、空氣污染、油價上漲等問題日益嚴重的現代人生活中有著舉足輕重的地位。而無人駕駛自行車不僅能夠針對一些特殊人群如兒童、老人提供駕駛平衡輔助，更是有望在災難救援、森林作業中得到廣泛應用。

隨著人們對智能交通工具和無人駕駛技術的關注度持續提高，無人駕駛自行車或者說自行車機器人在這一智能交通工具概念的基礎上有了初步的發展。目前，無人駕駛自行車的研究大部分研究學者都是圍繞動力學建模和提出新的控制算法這兩方面進行的，對其研究大都停留在理論探討和初步試驗的階段。由于自行車復雜的動力學特征和一定的側向不穩定性，自行車的自平衡仍存在很多棘手問題，如何解決靜止或低速行駛下自行車的自平衡問題是無人駕駛自行車突破當前發展限制的關鍵。

現有的應用于摩托車或電動自行車的平衡系統本質上是獨輪車平衡系統(即倒立擺平衡系統)和兩足平衡系統的疊加。而自行車的前把具有高度的自由度，且兩輪沒有直接驅動力。所以，在摩托車或電動自行車上導致其平衡的驅動力在自行車上是不存在的，其平衡方法在自行車上無效，這為自行車的自平衡和無人駕駛帶來了更多難度。

同時，目前還沒有將自行車變量進行分解映射從而進行控制的相關研究。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于行為驅動的自平衡無人駕駛自行車及其分解關鍵平衡的控制方法。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：一種基于行為驅動的自平衡無人駕駛自行車，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；所述車把控制模塊、車體中部控制模塊、車體后部控制模塊根據傳感器模塊提供的信息進行模塊各機構的控制，從而進行自行車平衡和行進的間接控制；所述車把控制模塊、車體中部控制模塊、車體后部控制模塊的各機構控制變量是相互耦合的；

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；

選取自行車變量和車把控制模塊、車體中部控制模塊和車體后部控制模塊的控制變量作為關鍵變量；在自行車前中后部分別建立坐標系，并將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φ分別分解到前中后部的坐標系中；