[發明專利]基于ELM觀測器的平衡自行車滑模控制系統及方法

在審

• 申請號: 202111169354.5
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN114019787A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 陳龍;顏斌;馬學條;鄭雪峰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 浙江永鼎律師事務所 33233
• 代理人: 陸永強

本發明公開了一種基于ELM觀測器的平衡自行車滑模控制系統及方法，系統中主控器根據傳感器組采集的運動參數對電機部輸出控制，主控器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和轉向的方向控制器，并通過uart與上位機進行交互；所述傳感器組用于采集自平衡自行車的運動參數，該運動參數包括角速度、加速度和電機部轉速；所述電機部包括反作用輪驅動電機、前進電機和轉向舵機。本發明通過更加精簡且全面的建模過程和創新性的應用基于ELM觀測器的滑模控制方法，提高了系統的響應速度和抗干擾能力，使得自平衡自行車的控制系統能夠通過ELM觀測器預估外部擾動并進行補償，使得平衡自行車的平衡控制更加穩定。

技術領域

本發明屬于機器人平衡控制技術領域，涉及一種基于ELM觀測器的平衡自行車滑模控制系統及方法。

背景技術

反作用輪平衡的平衡自行車是一種在靜止和運動狀態下都可保持平衡的自平衡系統。近年來，隨著社會的發展，各種機器人在生產生活中的需求不斷增強。其中，自行車由于其簡單的結構在勘探、救援和檢修方面有突出作用，因此不斷有學者對此進行研究。

與此同時，在自平衡的平衡自行車的研究中，使自平衡的平衡自行車保持平衡是首要一步。為此，以下兩種方案經常被選擇。第一種方案是依靠平衡自行車本身的轉動慣量使用前輪轉向來保持自行車。此方案可以使平衡自行車結構盡可能的精簡，但是在低速和靜止狀態確難以保持平衡。第二種方案是通過飛輪系統單獨控制平衡自行車的平衡。此方案可以使平衡自行車在靜止狀態保持平衡，但是機械結構會更加復雜。

在自平衡的平衡自行車的研究中，控制算法是平衡自行車能夠實現自平衡的核心。當前常用的控制方法為PID控制，其通過采集平衡自行車的車身傾斜角度，通過對角度的比例項、積分項和微分項的累加計算得到控制輸出。這種方案簡單方便，但其有兩個主要缺點難以解決。首先，PID控制的魯棒性較差，平衡自行車在受到干擾時，通過PID控制會產生較大的震蕩甚至失去平衡。然后，PID控制是線性控制，平衡自行車的自平衡系統是一個非線性系統，使用PID算法進行控制會使系統的精度難以達到較高的精度。針對目前現有技術中存在的缺陷，有必要進行進一步的研究，以提供一種更好的解決方案，對現有的技術中的缺陷進行改進。

發明內容

為解決上述問題，本發明的技術方案為：一種基于ELM觀測器的平衡自行車滑模控制系統，平衡自行車包括前輪、車把、后輪、車架和安裝于車架中間位置的反作用輪，還包括主控器、與主控器分別連接的傳感器組和電機部，其中，

所述主控器根據傳感器組采集的運動參數對電機部輸出控制，主控器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和轉向的方向控制器，并通過uart與上位機進行交互；所述傳感器組用于采集自平衡自行車的運動參數，該運動參數包括角速度、加速度和電機部轉速；所述電機部包括反作用輪驅動電機、前進電機和轉向舵機。

優選地，所述反作用輪的平衡控制器為基于ELM觀測器的滑模控制器的輸出方程為：

其中，u表示輸出的平衡力矩，M₀、J₀分別為平衡自行車的質量和轉動慣量的估計值，m、h、a、b分別表示平衡自行車的質量、反作用輪中心到地面的距離、后輪到反作用輪的距離和前輪后輪的距離，為平衡自行車的傾斜角度，其中e_I由其導數確定，表示當前角度與目標角度的差值，γ₁和γ₂是兩個正參數；k₁、k₂為常數，q₁和q₂是兩個奇數，且q₂q₁0，v表示平衡自行車前進的速度，β表示前輪偏轉角，表示ELM最小范數的最小二乘解的估計值，其由導數定義，其中，η為一個整數，H表示隱含層網絡；H(x,w,b)表示ELM，x表示輸入w表示輸入權重，b表示輸入偏置。

優選地，所述主控器包括STM32F103芯片。