[發明專利]一種基于無人自行車的切換PID控制方法、系統及仿真方法

在審

• 申請號: 202111463391.7
• 申請日: 2021-12-02
• 公開（公告）號: CN114019806A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 范穎芳;董汶龍;于子明
• 申請（專利權）人: 大連海事大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

1.一種基于無人自行車的切換PID控制方法，其特征在于，包括：

構建無人自行車的動力學模型，獲取無人自行車車體的傾斜角和傾斜角速度；

對獲取的傾斜角和傾斜角速度數據進行處理，生成相應的控制指令；

基于對應的控制指令，使車體傾斜角速度為零；

基于對應的控制指令，使車體傾斜角恢復為零，實現平衡姿態。

2.根據權利要求1所述的基于無人自行車的切換PID控制方法，其特征在于，所述構建無人自行車的動力學模型，獲取無人自行車車體的傾斜角和傾斜角速度，具體包括：

采用無人自行車的前輪擺角產生的扭轉力矩來維持受到擾動后自行車車體的平衡；

構建無人自行車前輪的動能表達式，如下：

上式中，m_q表示自行車前輪質量，V_q表示前輪質心隨車把轉動軸線轉動的速度，J₁表示車把轉動帶動前輪旋轉的轉動慣量，α表示車把向車體傾倒的方向轉動角度，J₂表示車體傾斜使前輪側向傾倒的轉動慣量，β表示車體受到擾動后偏離鉛直方向的角度，J₃表示前輪向前滾動的轉動慣量，r_q表示前輪半徑，V₀表示前輪繞質心向前滾動的前進速度；

基于第2類拉格朗日方程：

上式中，L＝T-V，M為施加力矩，使車把相對車體產生相應的轉角；

令無人自行車的狀態變量為x₁＝α，x₂＝α，x₃＝β，x₄＝β，控制量u＝M，則可得無人自行車的動力學模型如下：

輸出方程：y＝β＝x₃。

3.根據權利要求1所述的基于無人自行車的切換PID控制方法，其特征在于，所述對獲取的傾斜角和傾斜角速度數據進行處理，生成相應的控制指令，具體包括：

采用濾波算法，對獲取的傾斜角和傾斜角速度數據進行處理，生成相應的控制指令。

4.根據權利要求1所述的基于無人自行車的切換PID控制方法，其特征在于，所述基于對應的控制指令，使車體傾斜角速度為零，具體包括：

根據傾斜角速度調整車把轉角，使車體傾斜角速度為零。

5.根據權利要求1所述的基于無人自行車的切換PID控制方法，其特征在于，所述基于對應的控制指令，使車體傾斜角恢復為零，實現平衡姿態，具體包括：

根據傾斜角反向轉動車把，使車體傾斜角恢復為零，實現平衡姿態。

6.一種基于上述權利要求1-5中任意一項權利要求所述基于無人自行車的切換PID控制方法的控制系統，其特征在于，包括：傳感器、控制器、第一執行單元以及第二執行單元；其中：

所述傳感器，用于獲取無人自行車車體的傾斜角和傾斜角速度；

所述控制器，采用濾波算法，對獲取的傾斜角和傾斜角速度數據進行處理，生成相應的控制指令；

所述第一執行單元，基于對應的控制指令，根據傾斜角速度調整車把轉角，使車體傾斜角速度為零；

所述第二執行單元，基于對應的控制指令，根據傾斜角反向轉動車把，使車體傾斜角恢復為零，實現平衡姿態。

7.一種基于權利要求6所述控制系統的仿真方法，其特征在于，包括：

S1、給無人自行車的動力學模型施加脈沖激勵，獲得自行車本體的開環的脈沖響應；

S2、整定第一執行單元的參數，使第一執行單元對車體傾斜角速度的調節具有好的快速性；

S3、整定第二執行單元的參數，使第二執行單元對車體傾斜角的調節具有小的超調量；

S4、利用典型信號驗證控制器的切換功能；

S5、對閉環系統施加脈沖擾動，獲得控制系統的閉環響應。