[發(fā)明專利]針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的有限時(shí)間跟蹤控制方法及系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110407108.2
• 申請(qǐng)日: 2021-04-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113359434A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱強(qiáng)強(qiáng);王曉梅;陳文娣;牛奔;李圣濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 山東師范大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

本發(fā)明公開(kāi)了針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的有限時(shí)間跟蹤控制方法及系統(tǒng)，包括：針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)，建立動(dòng)力學(xué)方程；使用解耦方式對(duì)動(dòng)力學(xué)方程的未知非線性函數(shù)進(jìn)行處理，得到虛擬控制器和自適應(yīng)律；根據(jù)虛擬控制器和自適應(yīng)律，確定有限時(shí)間自適應(yīng)跟蹤控制器；獲取待控制電動(dòng)平衡車(chē)當(dāng)前時(shí)刻的擺角，并得到當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩；根據(jù)設(shè)計(jì)的有限時(shí)間自適應(yīng)跟蹤控制器和當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩，得到輸出擺角，使得平衡車(chē)的擺角復(fù)位，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的控制從而達(dá)到平衡駕駛。不僅能確保系統(tǒng)狀態(tài)變量在有限的時(shí)間內(nèi)快速收斂到平衡，而且還能提高系統(tǒng)的魯棒性并且減少近似誤差的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及非線性系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的有限時(shí)間跟蹤控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

本部分的陳述僅僅是提到了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)，并不必然構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

純反饋非線性系統(tǒng)是具有非仿射特性的一類較嚴(yán)格反饋非線性系統(tǒng)更一般的下三角型非線性系統(tǒng)，在實(shí)際應(yīng)用中廣泛存在，比如機(jī)械系統(tǒng)，化學(xué)系統(tǒng)和飛行器系統(tǒng)等。同時(shí)，由于系統(tǒng)的非仿射結(jié)構(gòu)，使得適合于嚴(yán)格反饋非線性系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)方法很難直接用于純反饋非線性系統(tǒng)控制。在過(guò)去的幾十年的研究中，已針對(duì)嚴(yán)格反饋非線性系統(tǒng)報(bào)道了許多自適應(yīng)反推設(shè)計(jì)方案，而對(duì)于純反饋非線性系統(tǒng)的有限時(shí)間控制的研究還不夠全面，無(wú)法達(dá)到本發(fā)明期望的結(jié)果。在最近幾年來(lái)，有限時(shí)間自適應(yīng)控制方案已經(jīng)開(kāi)發(fā)。但是大部分學(xué)者提出的有限時(shí)間控制策略是僅適用于嚴(yán)格反饋系統(tǒng)，而不適用于純反饋系統(tǒng)。也有部分學(xué)者開(kāi)始研究純反饋系統(tǒng)的有限時(shí)間跟蹤控制，但是都是基于利用微分中值定理將系統(tǒng)從純反饋形式轉(zhuǎn)換為嚴(yán)格反饋形式，然后采用模糊邏輯系統(tǒng)對(duì)未知函數(shù)進(jìn)行建模。

為了簡(jiǎn)化純反饋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制輸入，以前的研究中常使用差分中值定理來(lái)處理未知的非仿射非線性函數(shù)。這要求本發(fā)明對(duì)非仿射函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)必須進(jìn)行限制性假設(shè)。不幸的是，眾所周知，非光滑非線性存在于廣泛的實(shí)際控制系統(tǒng)中，這導(dǎo)致非仿射函數(shù)的不可微性。然而，非仿射函數(shù)必須是可微的這一假設(shè)對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)而言過(guò)于嚴(yán)格，以致于無(wú)法在實(shí)際應(yīng)用中輕松獲得。

當(dāng)前關(guān)于非線性系統(tǒng)的結(jié)果已經(jīng)有漸近穩(wěn)定的研究，但是與漸近穩(wěn)定不同，有限時(shí)間穩(wěn)定可以確保系統(tǒng)狀態(tài)變量在有限的時(shí)間內(nèi)迅速收斂到平衡。顯然，有限時(shí)間控制方案將使系統(tǒng)具有更好的瞬態(tài)響應(yīng)。從理論上講，非有限時(shí)間控制策略可以保證系統(tǒng)輸出的性能。然而，在實(shí)際工程中，控制目標(biāo)有望達(dá)到在有限的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)。無(wú)限時(shí)間控制方案無(wú)法完成這樣的控制目標(biāo)，因?yàn)樗鼈儗?dǎo)致長(zhǎng)瞬態(tài)響應(yīng)。

電動(dòng)平衡車(chē)，又叫體感車(chē)、思維車(chē)、攝位車(chē)等。其運(yùn)作原理主要是建立一種非線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。利用車(chē)體內(nèi)部的陀螺儀和加速度傳感器，來(lái)檢測(cè)車(chē)體姿態(tài)的變化，并利用伺服控制，精確地驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以保持系統(tǒng)的平衡。兩輪電動(dòng)平衡車(chē)采用兩個(gè)輪子支撐，蓄電池供電，無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，加上單片機(jī)控制，姿態(tài)傳感器采集角速度和角度信號(hào)，共同協(xié)調(diào)控制車(chē)體的平衡，僅僅依靠人體重心的改變便可以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的啟動(dòng)、加速、減速、停止等動(dòng)作。電動(dòng)平衡車(chē)的小巧方便，代步環(huán)保等特點(diǎn)使其在控制領(lǐng)域成為一個(gè)熱點(diǎn)話題。

發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的電動(dòng)平衡車(chē)的平衡控制方面不夠精準(zhǔn)，不能快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)電動(dòng)平衡車(chē)的平衡角度恢復(fù)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的有限時(shí)間跟蹤控制方法及系統(tǒng)；考慮一類具有死區(qū)輸入以及外部干擾的純反饋非線性系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了一種基于解耦技術(shù)的有限時(shí)間自適應(yīng)控制方法，使系統(tǒng)具有較好的瞬態(tài)響應(yīng)。

第一方面，本發(fā)明提供了針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的有限時(shí)間跟蹤控制方法；

針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)的有限時(shí)間跟蹤控制方法，包括：

針對(duì)電動(dòng)平衡車(chē)，建立動(dòng)力學(xué)方程；

使用解耦方式對(duì)動(dòng)力學(xué)方程的未知非線性函數(shù)進(jìn)行處理，得到虛擬控制器和自適應(yīng)律；

根據(jù)虛擬控制器和自適應(yīng)律，確定有限時(shí)間自適應(yīng)跟蹤控制器；