[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

本發明提供一種基于無人自行車的切換PID控制方法、系統及仿真方法。本發明方法，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。本發明通過兩個PID控制器的切換來實現無人自行車的平衡控制。本發明還進行了仿真和樣機實驗，仿真和樣機實驗結果表明了本發明方法的有效性和工程實用性，能夠為無人自行車自平衡控制的工程實現提供參考，同時，本發明方法還能夠通過改進控制器的切換規則，提高無人自行車控制系統的快速性。

技術領域

本發明涉及無人駕駛技術領域，具體而言，尤其涉及一種基于無人自行車的切換PID控制方法、系統及仿真方法。

背景技術

無人自行車作為一種無人駕駛的雙輪智能交通工具，具有運動靈活、能源利用率高、綠色環保等特點，使得其在安保巡邏、躲避交通擁堵等領域具有獨特的優勢和應用前景引起眾多學者的廣泛關注。由于自行車兩點接地，其接地點移動軌跡構成的多邊形比四輪車小的多，兩輪車被認為更合適在一個有許多障礙的地區行動。

常規自行車的車把和后輪是有直接驅動的，而車身側向只有駕駛者通過調整自身姿態產生較為有限的間接驅動，在重力環境下，自行車側向是不穩定的，極易傾倒。自行車穩定性的研究吸引了許多物理學家、力學家乃至數學家參與討論。1897年，法蘭西科學院還為此特別設立了一個獎項。于2011年發表于Science雜志的一項研究則表明，自行車能保持穩定的原因至今都還沒有完全清楚。研究指出自行車的穩定可能是陀螺效應、腳輪效應和車體重量分布等因素的微妙耦合的結果保持自行車側向傾斜角的穩定性就是自行車的平衡控制問題。顯然無人自行車的平衡控制是其直線運動、圓周運動及轉彎等其他運動的前提。盡管人們并不清楚自行車側向穩定的奧秘，但幾乎所以人都能掌握讓自行車平衡形式的技能。然而利用自動控制技術實現自行車的平衡控制卻并不如想象上那么簡單。自行車機器人的欠驅動和耦合特性會引起非最小相位特性，即不穩定零動態，反映了系統內部動態的發散。另外，自行車的某些結構參數，如重量分布、各構件的重心位置，不便于準確測量，因此依賴于準確模型的先驗控制方法往往不能達到預期的效果。

現有的自行車平衡控制策略如下：

一種是通過增加機械配重調節器，其思想來源于人的駕駛經驗，有經驗的駕駛者通常可以手脫離車把，僅靠調整自身重心位置來保持自行車的平衡。機械配重調節器正是模擬駕駛者調整自身態來改變人車整體重心的位置實現自行車不倒。機械配重調節器的使用突出了整車重心對車體平衡的貢獻，弱化了自行車動力學耦合對平衡的貢獻。因為具有機械配重調節裝置，這種結構的無人自行車控制系統會比較笨重，動力學特性也更為復雜。

另一種是通過飛輪增穩，利用飛輪的陀螺效應保持自行車平衡。這種策略使自行車系統側向變得自穩定，即使沒有行進速度，自行車也可以平衡不倒。但該策略需要引入高速飛輪，對自行車的能源系統(通常用蓄電池)要求較高。

發明內容

根據上述提出的技術問題，本發明提供一種基于無人自行車的切換PID控制方法、系統及仿真方法。本發明主要利用兩個PID控制器的切換來實現無人自行車的平衡，其中一個PID控制器的控制目標是使無人自行車車體的傾斜角的變化率為零，另一個PID控制器的控制目標是使車體傾斜角恢復為零。由于兩個控制器都是工程上常用的PID控制器，因此本算法具有較強的工程可行性。

本發明采用的技術手段如下：

一種基于無人自行車的切換PID控制方法，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。