一種兩輪自平衡機器人自適應滑模變結構控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及機器人控制領域，尤其涉及一種兩輪自平衡機器人自適應滑模變結構 控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著移動機器人研究不斷深入、應用領域更加廣泛，所面臨的環(huán)境和任務 也越來越復雜。機器人經常會遇到一些比較狹窄，而且有很多大轉角的工作場合，如何在這 樣比較復雜的環(huán)境中靈活快捷的執(zhí)行任務，成為人們頗為關心的一個問題。兩輪自平衡機 器人概念就是在這樣的背景下提出來的。兩輪自平衡機器人技術是一種橫跨多個學科的綜 合技術，其系統(tǒng)模型是一個相當復雜的非線性不穩(wěn)定的動力學模型，并且兩輪自平衡機器 人系統(tǒng)結構特殊，適應地形變化能力強，運動靈活，可以勝任一些比較復雜環(huán)境里的工作， 所以在控制理論和工程領域中備受關注，與它相關的理論知識包括：①物理體系結構的分 析；②運動學分析與動力學模型的構建，包括動力學特性和欠驅動的分析；③模擬和仿真 分析；④姿態(tài)檢測技術和空間定位技術，包括克服慣性傳感器的零點或溫度漂移，濾波算法 的設計和理論分析，多傳感器數(shù)據(jù)融合技術等；⑤運動控制和平衡控制的理論與控制方法 的研究。
[0003] 要對兩輪自平衡機器人系統(tǒng)進行仿真處理，首先需要知道系統(tǒng)的數(shù)學模型，而后 才有可能對系統(tǒng)進行模擬，現(xiàn)有技術中兩輪自平衡機器人的建模方式大多都是采用系統(tǒng)建 模方式中經典力學分析法或基于能量分析的Lagrange方法的其中一種，單獨采用經典力 學分析法建模的后果是力學分析過程過于復雜；而單獨采用基于能量分析的Lagrange方 法時忽略了系統(tǒng)中能量的變化情況。同時現(xiàn)有技術兩輪自平衡機器人的控制算法大多為 PID控制算法、LQR控制算法、最優(yōu)控制算法、模糊控制算法等，這些控制算法在兩輪自平衡 機器人這種非線性、自然不穩(wěn)定系統(tǒng)難以達到滿意的控制效果，魯棒性不夠好，響應速度不 夠快，面對較大的擾動時，系統(tǒng)不穩(wěn)定，當外部路面條件變化的時候，不能自適應較復雜的 外部環(huán)境以及大范圍負載的變化，不能夠自動檢測負載的加入與否；在數(shù)據(jù)處理方式上不 夠智能；速度控制方式僅靠傾角的變化，方式過于單一；系統(tǒng)的抖振非常大。
[0004] 故，針對目前現(xiàn)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(xiàn)有技術中存在的缺陷。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是一種兩輪自平衡機器人自適應滑模變結構控制方法及系統(tǒng)，使建 模過程更加精簡且全面、增強系統(tǒng)的魯棒性、提高系統(tǒng)的響應速度；能夠應對較大的外部擾 動；能夠自適應外部環(huán)境以及大范圍負載的變化；能夠自動檢測負載的加入；系統(tǒng)中參數(shù) 的值更加精確；速度控制方式多樣化。
[0006] 為了克服現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的技術方案為：
[0007] -種兩輪自平衡機器人自適應滑模變結構控制方法，包括以下步驟：
[0008] 根據(jù)經典力學分析法和基于能量分析的Lagrange算法建立如下兩輪自平衡機器 人的動力學方程：
[0010] 并根據(jù)上述動力學方程設計出滑模變結構控制器；
[0011] 其中，U為滑模變結構控制器的輸出控制信號，Θ為兩輪自平衡機器人的車體偏 角，ev= V-V r為當前速度V和參考速度V r的速度差，a p V Cl、山、a2、b2、c2、d2為兩輪自平 衡機器人的模型參數(shù)；
[0012] 采集傳感信號并以此作為滑模變結構控制器的輸入參數(shù)；
[0013] 所述滑模變結構控制器根據(jù)其輸入參數(shù)輸出控制信號；
[0014] 根據(jù)滑模變結構控制器輸出控制信號，對系統(tǒng)進行平衡以及速度控制，以及利用 轉向電位器信號，對系統(tǒng)進行轉向控制，兩者共同控制電機運動；
[0015] 檢測兩輪自平衡機器人的當前速度信息并將其反饋至滑模變結構控制器的輸入 端，作為滑模變結構控制器的輸入參數(shù)之一。
[0016] 優(yōu)選地，所述滑模變結構控制器包括速度滑模變結構控制器和角度滑模變結構控 制器，所述速度滑模變結構控制器和所述角度滑模變結構控制器相互反饋，其反饋方程為： βν，其中，θ 1^為速度滑模變結構控制器反饋給角度滑模變結構控制器的參量，V為 當前速度，β為常量，其值的范圍值-〇. 15至0. 15之間；
[0017] 所述的角度滑模變結構控制器的輸出控制信號的輸出方程為：
X = M'(i2) -和歲+ 461 - &]，Y = Pb2，，々(〇為自適應項；
[0019] 所述速度滑模變結構控制器根據(jù)所述速度信息和所述角度滑模變結構控制器的 輸出控制信號，輸出所述反饋信息，其輸出量U由以下方程決定：
[0021] 在所述的角度滑模變結構控制器和所述速度滑模變結構控制器中，采用斜坡函數(shù)

[0022] 優(yōu)選地，所述的角度滑模變結構控制器采用基于函數(shù)逼近方式來進行自適應控 制，其自適應項為： 為拉蓋爾基函數(shù)。
[0023] 優(yōu)選地，所述β值為-0· 14。
[0024] 優(yōu)選地，還包括對傳感信號進行數(shù)據(jù)融合的步驟，所述傳感信號包括通過陀螺儀 采集的偏角信息和通過加速度計采集的加速度信息，并通過卡爾曼濾波算法對所述偏角信 息和所述加速度信息進行數(shù)據(jù)融合。
[0025] 優(yōu)選地，所述傳感信號還包括調速手把的油門信號，所述油門信號與參考速度的 關系符合以下公式=V1= k· (VRH-17160)，其中，k為比例系數(shù)。
[0026] 優(yōu)選地，還包括負載檢測的步驟，所述負載檢測步驟中采用遲滯函數(shù)，通過設定閾 值來判斷是否有負載。
[0027] 優(yōu)選地，bp Cn山、a2、b2、c2、d2的值由以下公式確定：
[0029] 其中
為兩輪自平衡機器人的質量，g為重力加速度，L為質 心離車輪中心的距離，J為自平衡機器人車體的轉動慣量，t為參考速度，K t為電機轉矩常 數(shù)，心為反電動勢系數(shù)，RaS電機電樞兩端電阻。
[0030] 為了解決現(xiàn)有技術的問題，本發(fā)明還公開了一種兩輪自平衡機器人自適應滑模變 結構控制系統(tǒng)，包括電源模塊、陀螺儀、加速度計、轉向電位器、控制單元、第一電機驅動模 塊、第二電機驅動模塊、第一電機、第二電機、第一編碼器以及第二編碼器，其中，
[0031] 所述電源模塊用于系統(tǒng)供電；
[0032] 所述陀螺儀用于檢測自平衡機器人車體偏角信息，并將該信息發(fā)送給所述控制單 元；
[0033] 所述加速度計用于檢測自平衡機器人的加速度信息，并將該信息發(fā)送給所述控制 單元；
[0034] 所述轉向電位器用于檢測自平衡機器人的轉向信息，并將該信息發(fā)送給所述控制 單元；
[0035] 所述第一編碼器和所述第二編碼器用于檢測自平衡機器人的速度信息，并將該信 息發(fā)送給所述控制單元；
[0036] 所述控制單元根據(jù)所述偏角信息、加速度信息、轉向信息和速度信息計算出輸出 控制信號，并發(fā)送給所述第一電機驅動模塊和所述第二電機驅動模塊；
[0037] 所述第一電機驅動模塊和所述第二電機驅動模塊輸出PffM驅動信號使所述第一 電機和所述第二電機轉動。
[0038] 優(yōu)選地，所述控制單元包括卡爾曼數(shù)據(jù)融合模塊、速度滑模變結構控制器和角度 滑模變結構控制器，其中，
[0039] 所述卡爾曼數(shù)據(jù)融合模塊用于將所述偏角信息和所述加速度信息進行數(shù)據(jù)融合， 并將融合信息發(fā)送給所述角度滑模變結構控制器；
[0040] 所述角度滑模變結構控制器根據(jù)所述卡爾曼數(shù)據(jù)融合模塊輸出的融合信息和所 述速度滑模變結構控制器的反饋信息輸出控制信號；
[0041] 所述反饋信息由以下反饋方程確定：
[0042] βν，其中，θ ι^為速度滑模變結構控制器反饋給角度滑模變結構控制器的反 饋信息，V為當前速度，β為常量，其值的范圍值-0. 15至0. 15之間；
[0043] 所述角度滑模變結構控制器的輸出控制信號由以下輸出方程確定：
1 = +從I-￡·山 Y = 0b2, Z = b「Pc2b2, 々",(/)為自適應項；
[0045] 所述速度滑模變結構控制器根據(jù)所述速度信息和所述角度滑模變結 構控制器的輸出控制信號，輸出所述反饋信息，其輸出量U由以下方程決定
[0046] 與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明結合了經典力學分析法和基于能量分析的Lagrange 方法，避免了復雜的力學分析過程，而且考慮到系統(tǒng)中能量的變化，使建模過程更加精簡 且全面；同時，滑模變結構控制器的輸出控制信號，考慮了角度和速度之間的關系式= βν，通過選取β的值，從而使系統(tǒng)的速度和角度能夠相互影響，當系統(tǒng)的傾角過大時，系 統(tǒng)會自動降速，速度降低的同時，會自動回到平衡位置，從而保證系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。
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