[發明專利]一種反作用輪平衡自行車機器人模糊自適應滑模控制系統

有效

• 申請號: 201910308610.0
• 申請日: 2019-04-17
• 公開（公告）號: CN110109353B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 陳龍;姚鑫;樊凌雁;馬學條;楊柳;鄭雪峰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 浙江永鼎律師事務所 33233
• 代理人: 陸永強

本發明公開了一種反作用輪平衡自行車機器人模糊自適應滑模控制系統，包括傳感器系統、主控芯片及電機系統。其中，傳感器系統根據傳感器測量模塊采集的運動參數控制電機系統的運動；主控芯片中設置用于速度控制的PI控制器、方向控制的PD控制器及平衡控制的模糊自適應滑模控制器，其中平衡控制器的輸出方程為：電機系統用于自行車機器人的平衡及運動。采用本發明的技術方案，能夠對外界環境進行自適應同時能夠最大程度降低外界環境中各種干擾對兩輪自平衡機器人的影響并且不損失魯棒性。

技術領域

本發明涉及自行車機器人平衡控制領域，，尤其涉及一種反作用輪平衡自行車機器人模糊自適應滑模控制系統。

背景技術

平衡自行車機器人是一種利用傳感器感知自身狀態，然后通過控制算法控制，從而實現無人的自平衡。近年來，無人駕駛導航系統正在被廣泛研究。自行車機器人作為無人系統的一個類別，也被許多學者和工程師研究過。由于其較窄的結構，自行車機器人可以適應四輪車輛無法工作的特殊環境，例如狹窄的通道或管道。自行車實現無人駕駛的第一步是實現自主平衡。

目前有各種類型的平衡自行車機器人，最常研究的是使用前輪轉向來保持自行車平衡。這種方法使自行車的結構變化最小化，但前輪驅動很難在低速和靜止狀態下平衡自行車。其次，還有用陀螺儀來保持平衡的設計，陀螺儀需要高功率電動機來高速旋轉大質量物體。這意味著陀螺儀結構需要配備大容量電池以提供足夠的功率，因此整個結構比一般設計更重。

對于以上類別的設計，最常用的控制方法為PID控制，通過采集自行車機器人的車身傾斜角度，對這個角度驚喜比例、微分、積分計算出反作用輪所需要輸出的力矩。這種方法設計簡單，因此被大范圍的使用，但1)PID控制算法在受干擾時的魯棒性不理想，受到擾動時平衡會出現較大震蕩，甚至失去平衡，且其對于不確定的系統參數及變化的系統參數適應能力弱，難以適應參數未確定的自行車機器人。作為一種線性控制方法，PID控制沒有針對具體系統模型進行控制，因此無法對非線性系統做出兼具魯棒性和穩定性的控制

故，針對目前現有技術中存在的上述缺陷，實有必要進行研究，以提供一種方案，解決現有技術中存在的缺陷。

發明內容

本發明的目的是一種反作用輪平衡自行車機器人模糊自適應滑模控制系統，使建模過程更加精簡且全面、增強系統的魯棒性、提高系統的響應速度；能夠應對較大的外部擾動；能夠自適應外部環境以及大范圍負載的變化；系統中參數的值更加精確；平衡控制更加穩定。

為了克服現有技術存在的缺陷，本發明的技術方案為：

一種反作用輪平衡自行車機器人模糊自適應滑模控制系統，包括傳感器測量模塊、主控芯片及電機系統，其中，所述傳感器測量模塊用于采集自平衡機器人運動參數，該運動參數至少包括角速度信號和加速度信號，以及電機轉速信號；所述主控芯片中設置分別用于反作用輪的平衡控制器，前進電機的速度控制器及轉向的方向控制器；

所述電機系統包括用于平衡的反作用輪電機，前進電機以及轉向舵機；

所述主控芯片與所述傳感器測量模塊和所述電機系統相連接，用于根據所述傳感器測量模塊采集的運動參數控制所述電機系統的運動；

所述主控芯片中設置的模糊自適應滑模控制器根據角度參量和角加速度控制輸出平衡力矩τ從而驅動反作用輪運動，以保持自行車機器人的平衡；

所述模糊自適應滑模控制器的輸出方程為：

其中，M₀和J_h0分別為自行車機器人的重量和轉動慣量，和為這兩個量的測量誤差的上界，k是一個常數參量，為角度誤差，u_f(s，Δs)為模糊表輸出方程，D為模型未定量的最大值，為滑模自適應項，其定義為β為前輪的轉角；

優選地，所述模糊自適應滑模控制器模糊表表根據輸入的滑模變量和其一階導數輸出。