一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车及其等价映射的控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车及其等价映射的控制方法，该自平衡无人驾驶自行车包括自行车、传感器模块、车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块。该控制方法包括自平衡控制和无人驾驶控制两部分。自平衡控制将后轮看作一个球并基于此建立坐标系，将自行车变量在该坐标系下进行分解，然后将控制器变量投影到该坐标系建立关联，最终基于等价映射实现自行车的自平衡。本发明专利技术的无人驾驶自行车通过耦合的控制方法可以在多种运动状态下具有自平衡功能，同时采用的是间接驱动的方法，并不需要对普通自行车进行进一步的改装，只需要将三个控制器模块安装在普通自行车上，就可以实现自行车的自平衡和无人驾驶。

A self actuated self driving bicycle and its equivalent mapping control method based on behavior driven

The invention discloses a self-balancing driverless bicycle based on behavior driving and its equivalent mapping control method. The self-balancing driverless bicycle includes bicycle, sensor module, handlebar control module, middle control module of the body and rear control module of the body. The control method includes two parts: self balancing control and driverless control. The self-balancing control regards the rear wheel as a ball and establishes a coordinate system based on it. The bicycle variables are decomposed in the coordinate system, and then the controller variables are projected to the coordinate system to establish the correlation. Finally, the bicycle self-balancing is realized based on equivalent mapping. The self-balancing function of the driverless bicycle in the present invention can be achieved in various motion states by means of coupling control method. Meanwhile, the indirect driving method is adopted. No further modification of the ordinary bicycle is needed, and only three controller modules are installed on the ordinary bicycle to realize self-balancing. Self balancing and driverless car.

【技术实现步骤摘要】
一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车及其等价映射的控制方法
本专利技术涉及交通领域，具体涉及一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车及其等价映射的控制方法。
技术介绍
自行车作为一种传统的交通工具，具有车体窄小、机构简单、能作小半径回转、方便灵活、无污染、无噪声、无需能源、售价低廉等优势，在道路拥挤、空气污染、油价上涨等问题日益严重的现代人生活中有着举足轻重的地位。而无人驾驶自行车不仅能够针对一些特殊人群如儿童、老人提供驾驶平衡辅助，更是有望在灾难救援、森林作业中得到广泛应用。随着人们对智能交通工具和无人驾驶技术的关注度持续提高，无人驾驶自行车或者说自行车机器人在这一智能交通工具概念的基础上有了初步的发展。目前，无人驾驶自行车的研究大部分研究学者都是围绕动力学建模和提出新的控制算法这两方面进行的，对其研究大都停留在理论探讨和初步试验的阶段。由于自行车复杂的动力学特征和一定的侧向不稳定性，自行车的自平衡仍存在很多棘手问题，如何解决静止或低速行驶下自行车的自平衡问题是无人驾驶自行车突破当前发展限制的关键。现有的应用于摩托车或电动自行车的平衡系统本质上是独轮车平衡系统(即倒立摆平衡系统)和两足平衡系统的叠加。而自行车的前把具有高度的自由度，且两轮没有直接驱动力。所以，在摩托车或电动自行车上导致其平衡的驱动力在自行车上是不存在的，其平衡方法在自行车上无效，这为自行车的自平衡和无人驾驶带来了更多难度。同时，目前还没有将自行车变量进行分解映射从而进行控制的相关研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车及其等价映射的控制方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车，包括自行车、传感器模块、车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块；所述车把控制模块、车体中部控制模块、车体后部控制模块根据传感器模块提供的信息进行模块各机构的控制，从而进行自行车平衡和行进的间接控制；所述车把控制模块、车体中部控制模块、车体后部控制模块的各机构控制变量是相互耦合的；所述传感器模块用于测量自行车变量，所述自行车变量包括自行车车把偏转角度α、自行车车体偏转角度β、自行车后轮转动角度所述车把控制模块位于自行车车把，通过重心调节机构调节车把的重心，实现车把偏转角度α的调节；所述车体中部控制模块位于自行车车体中部，通过重心调节机构调节车体中部的重心；所述车体后部控制模块位于自行车后部，通过重心调节机构调节车体后部的重心，通过旋转轮机构进行自行车后部的平衡控制和后轮旋转控制；通过后轮旋转控制实现自行车后轮转动角度的调节；所述车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块各自的重心调节机构和车体后部控制模块的平衡控制，共同实现自行车车体偏转角度β的调节；选取自行车变量和车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的控制变量作为关键变量；在自行车后部建立坐标系，并将自行车后轮的倾倒方向分解到后部坐标系中；将车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的重心调节机构的重心加速运动产生的力分别投影到自行车后部坐标系；并建立控制变量与被控变量之间的关系，得到车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块对自行车的控制规则，实现无人驾驶自行车的平衡控制。进一步地，所述车把控制模块的重心调节机构为横向放置于车把上的滑杆机构，车把控制模块通过调节车把滑杆机构的滑块位置进行车把重心的调节。进一步地，所述车体中部控制模块的重心调节机构为偏心轮，车体中部控制模块通过调节偏心轮旋转角度进行车体中部重心的调节。进一步地，所述车体后部控制模块的重心调节机构为偏心轮，车体后部控制模块通过调节偏心轮旋转角度进行车体后部重心的调节。进一步地，所述车体后部控制模块的旋转轮机构为互相垂直的两个旋转轮：水平旋转轮、竖直旋转轮，竖直旋转轮与水平旋转轮相切，且与自行车后轮平行；车体后部控制模块通过调节两个旋转轮的转速进行自行车后部的平衡控制和后轮旋转控制。一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车的分解关键平衡的控制方法，该方法包括平衡控制部分和无人驾驶控制部分；所述平衡控制部分的实现方法包括以下步骤：1)关键变量选取：选取可控可观的关键变量，包括自行车变量和车把控制模块、车体中部控制模块、车体后部控制模块的控制变量；2)分解被控变量：在自行车后部建立坐标系，并将自行车后轮的倾倒方向分解到后部坐标系；3)投影控制变量及控制器的建立：将车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的重心调节机构的重心加速运动产生的力分别投影到自行车后部的坐标系；并建立控制变量与被控变量之间的关系，得到车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块对自行车的控制规则，获得控制器参数；4)实现自平衡：将投影得到的控制器参数分别输入实际的车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块，并进行微调，建立自行车的三个控制器，从而实现自行车的自平衡；所述无人驾驶控制部分的实现方法：根据目标运动状态，选择期望的自行车变量，实现自行车的无人驾驶控制。进一步地，所述步骤3)中，车把控制模块的重心调节机构为滑杆机构时，车把控制模块中当滑块配重向自行车一侧加速运动时即产生一个沿车把方向向该侧的力；车体中部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，车体中部控制模块中当车体偏心轮配重向一侧加速旋转时及产生一个沿偏心轮切线方向向该侧的力；车体后部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，车体后部控制模块中当偏心轮配重向一侧加速旋转时及产生一个沿偏心轮切线方向向该侧的力。进一步地，所述步骤3)中，所述车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的重心调节机构的重心加速运动产生的力与自行车后轮的倾倒方向的关系为：其中，γ为自行车后轮倾倒方向，在自行车后部x、y、z坐标系分解为γx、γy、γz，其中γx为自行车后轮在yz平面上围绕x轴旋转的方向、γy为自行车后轮在xz平面上围绕y轴旋转的方向、γz为自行车后轮在xy平面上围绕z轴旋转的方向，F01、F02、F03分别为车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的重心调节机构的重心加速运动产生的力，L1为车体中部控制模块中心与车体后部控制模块中心水平距离，L2为车把控制模块中心与车体后部控制模块中心水平距离；h3、h4、h5分别为车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的高度，r为自行车后轮半径，r1、θ1分别为车体中部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，偏心轮半径和偏心轮旋转角度，r2、θ2为车体后部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，偏心轮半径和偏心轮旋转角度，kx、ky、kz为正比系数，可以预先设定为常数，建立控制器时再调整；最终通过自行车后轮的倾倒方向求解得到车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块所需的重心调节机构的重心加速运动产生的力。进一步地，所述无人驾驶控制部分的实现包括：选择目标运动状态，进行目标运动状态下的自行车控制；所述运动状态包括：启动、前进、转弯、后退；所述的启动状态下的自行车控制具体步骤如下：1)整体性调节：通过车把控制模块、车体中部控制模块、车体后部控制模块的变量调节，使得自行车车把偏转角度α趋于一个常数，即使得自行车趋于一个整体；2)重本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，包括自行车、传感器模块、车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块；所述传感器模块用于测量自行车变量，所述自行车变量包括自行车车把偏转角度α、自行车车体偏转角度β、自行车后轮转动角度

【技术特征摘要】
1.一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，包括自行车、传感器模块、车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块；所述传感器模块用于测量自行车变量，所述自行车变量包括自行车车把偏转角度α、自行车车体偏转角度β、自行车后轮转动角度所述车把控制模块位于自行车车把，通过重心调节机构调节车把的重心，实现车把偏转角度α的调节；所述车体中部控制模块位于自行车车体中部，通过重心调节机构调节车体中部的重心；所述车体后部控制模块位于自行车后部，通过重心调节机构调节车体后部的重心，通过旋转轮机构进行自行车后部的平衡控制和后轮旋转控制；通过后轮旋转控制实现自行车后轮转动角度的调节；所述车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块各自的重心调节机构和车体后部控制模块的平衡控制，共同实现自行车车体偏转角度β的调节；选取自行车变量和车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的控制变量作为关键变量；在自行车后部建立坐标系，并将自行车后轮的倾倒方向分解到后部坐标系中；将车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的重心调节机构的重心加速运动产生的力分别投影到自行车后部坐标系；并建立控制变量与被控变量之间的关系，得到车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块对自行车的控制规则，实现无人驾驶自行车的平衡控制。2.根据权利要求1所述的一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车把控制模块的重心调节机构为横向放置于车把上的滑杆机构，车把控制模块通过调节车把滑杆机构的滑块位置进行车把重心的调节。3.根据权利要求1所述的一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车体中部控制模块的重心调节机构为偏心轮，车体中部控制模块通过调节偏心轮旋转角度进行车体中部重心的调节。4.根据权利要求1所述的一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车体后部控制模块的重心调节机构为偏心轮，车体后部控制模块通过调节偏心轮旋转角度进行车体后部重心的调节。5.根据权利要求1所述的一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车体后部控制模块的旋转轮机构为互相垂直的两个旋转轮：水平旋转轮、竖直旋转轮，竖直旋转轮与水平旋转轮相切，且与自行车后轮平行；车体后部控制模块通过调节两个旋转轮的转速进行自行车后部的平衡控制和后轮旋转控制。6.一种基于行为驱动的自平衡无人驾驶自行车的等价映射的控制方法，其特征在于，该方法包括平衡控制部分和无人驾驶控制部分；所述平衡控制部分的实现方法包括以下步骤：1)关键变量选取：选取可控可观的关键变量，包括自行车变量和车把控制模块、车体中部控制模块、车体后部控制模块的控制变量；2)分解被控变量：在自行车后部建立坐标系，并将自行车后轮的倾倒方向分解到后部坐标系；3)投影控制变量及控制器的建立：将车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的重心调节机构的重心加速运动产生的力分别投影到自行车后部的坐标系；并建立控制变量与被控变量之间的关系，得到车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块对自行车的控制规则，获得控制器参数；4)实现自平衡：将投影得到的控制器参数分别输入实际的车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块，并进行微调，建立自行车的三个控制器，从而实现自行车的自平衡；所述无人驾驶控制部分的实现方法：根据目标运动状态，选择期望的自行车变量，实现自行车的无人驾驶控制。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，车把控制模块的重心调节机构为滑杆机构时，车把控制模块中当滑块配重向自行车一侧加速运动时即产生一个沿车把方向向该侧的力；车体中部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，车体中部控制模块中当车体偏心轮配重向一侧加速旋转时及产生一个沿偏心轮切线方向向该侧的力；车体后部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，车体后部控制模块中当偏心轮配重向一侧加速旋转时及产生一个沿偏心轮切线方向向该侧的力。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的重心调节机构的重心加速运动...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟濬，赵夕朦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33