一种平衡车系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种平衡车系统及其控制方法，根据平衡车系统的姿态信号的差分方程模型和漂移误差模型，建立扩展卡尔曼滤波的状态方程以及永磁直线电机的数学模型；利用二阶动态Terminal滑膜对永磁同步电机进行驱动；运用粒子群算法对双电机系统中跟踪控制器，同步控制器、消隙控制器参数以及切换函数同时优化。本发明专利技术实现了对平衡车在传感器采集的信号存在较大的噪声和零位漂移误差；鲁棒性差；有刷电机的结构复杂、故障多、维护工作量大、寿命短、换向火花易产生电磁干扰，以及在平衡车运行过程中出现抖动、偏差过大、安全性低等问题的解决。

【技术实现步骤摘要】
一种平衡车系统及其控制方法
本专利技术属于平衡车控制
，具体涉及一种平衡车系统及其控制方法。
技术介绍
两轮平衡车因其价格低廉、体积小、质量轻、便于移动与携带等特性，逐步走入了人们的生活之中。目前，平衡车的相关技术在不断更新，平衡系统控制更加灵活敏锐，人机交互系统趋向于细致化和人性化。但在驱动方式上，目前市场上主流的平衡车品牌采用的大多都是直流有刷电机，电能通过电刷和换向器进入电枢绕组而驱动电机。由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂、故障多、维护工作量大、寿命短、换向火花易产生电磁干扰等特性，在一定程度上增加了生产成本和维修成本。传统的平衡车存在着续航能力不强，控制系统的精度不高，功能单一等缺点。虽然目前市场上的平衡车产品种类繁多，但是大部分产品电机控制设计多有不足，传统的控制方法因本身的缺陷易于导致平衡事故的发生。PID控制，基于T_S模糊控制，自适应控制等都存在如下缺陷：控制变量电枢电压间接控制车身平衡，因此难以保证电动车的动态性能；传感器采集的信号存在较大的噪声和零位漂移误差；鲁棒性差，不适宜于非线性系统的应用。滑模控制设计简单、控制精度高，且滑动模态对系统的摄动和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平衡车系统，其特征在于，包括控制部分、传感器部分、人机交互部分、供电部分、主电路部分和上位机部分；控制部分采用微控制器，分别与传感器部分、人机交互部分、供电部分和主电路部分连接；上位机部分与人机交互部分连接，人机交互部分由供电部分提供电能；传感器部分包括用于采集车身偏移的角速度的陀螺仪，用于采集车的加速度的加速度计，用于采集实际速度的速度传感器，用于采集操纵杆的方向角的转角传感器，用于检测路况的红外传感器，用于采集逆变器相关数据的电压和电流传感器；人机交互部分包括用于显示车速信息、电量信息、电池温度信息及系统运行状态反馈的LCD显示屏，用于传输数据到手机APP和向控制器发送指令的无线蓝...

【技术特征摘要】
1.一种平衡车系统，其特征在于，包括控制部分、传感器部分、人机交互部分、供电部分、主电路部分和上位机部分；控制部分采用微控制器，分别与传感器部分、人机交互部分、供电部分和主电路部分连接；上位机部分与人机交互部分连接，人机交互部分由供电部分提供电能；传感器部分包括用于采集车身偏移的角速度的陀螺仪，用于采集车的加速度的加速度计，用于采集实际速度的速度传感器，用于采集操纵杆的方向角的转角传感器，用于检测路况的红外传感器，用于采集逆变器相关数据的电压和电流传感器；人机交互部分包括用于显示车速信息、电量信息、电池温度信息及系统运行状态反馈的LCD显示屏，用于传输数据到手机APP和向控制器发送指令的无线蓝牙；用于和PC通讯的上位机通讯模块，用于电源开关控制，模式选择，信息查询的按键，以及用于提示车辆报警信息的LED灯和蜂鸣器；供电部分包括用于电池充电和系统各部分的供电的充电模块和蓄电池；主电路部分包括两台永磁同步电机以及能够驱动两台永磁同步电机的三相逆变器，用于实现电机的独立控制和协同运行；上位机部分包括用于通过无线蓝牙进行信息传输和传送指令手机和通过串口通信的PC端。2.一种平衡车系统控制方法，其特征在于，根据权利要求1所述平衡车系统的姿态信号的差分方程模型和漂移误差模型，建立扩展卡尔曼滤波的状态方程以及永磁直线电机的数学模型；利用二阶动态Terminal滑膜对永磁同步电机进行驱动；运用粒子群算法对双电机系统中跟踪控制器，同步控制器、消隙控制器参数以及切换函数同时优化。3.根据权利要求2所述的一种平衡车系统控制方法，其特征在于，扩展卡尔曼滤波的状态方程如下：其中，为陀螺仪输出值，为陀螺仪测量的真实角速度，κ为尺度误差，ε为漂移误差，ν(n-1)为均值为零的高斯白噪声，T为周期。4.根据权利要求3所述的一种平衡车系统控制方法，其特征在于，平衡车的姿态信号的差分方程模型为：其中，ω0为陀螺仪初始角度值，κ为尺度误差，α为漂移误差，陀螺仪漂移误差的一阶自回归AR模型如下：其中，为自回归模型参数；ν(n)为均值为零的测量白噪声；高斯白噪声的方差如下：其中，Ci、Cg分别为倾角计和陀螺仪噪声协方差；δ1为倾斜角度的标准差；δ2为陀螺仪高斯噪声密度标准差；δ3为陀螺仪漂移误差AR模型中噪声的标准差。5.根据权利要求2所述的一种平衡车系统控制方法，其特征在于，永磁直线电机的机械运动方程如下：其中，s为动子位移；v为动子速度；M为动子及其所带负载总质量；Bv为粘滞摩擦因数；F∑为总扰动力。6.根据权利要求5所述的一种平衡车系统控制方法，其特征在于，总扰动力F∑如下：F∑＝Frip+Fload+Ffric其中，Fload为负载阻力；Frip为端部效应产生的等效阻力；FM为端部效应推力波动幅值；τ为极距；为初始相位电角度；Ffric为摩擦力；fc为库伦摩擦系数；fs为静态摩擦系数；v为动子速度；vs为临界摩擦速度。7.根据权利要求2所述的一种平衡车系统控制方法，其特征在于，利用二阶动态Terminal滑膜对永磁同步电机进行驱动具体为：令x＝[x1,x2]T＝[s,v]T为系统的状态变量，输入控制量为u＝iq，状态方程如下：其中，k1,k2,k3为未知参数，kf为阻力系数，Bv为粘滞摩擦因数，F∑为总扰动力，M为动子及其所带负载总质量；设系统跟踪误差为e＝x1*-x1，其中，x1*为x1的给定值，定义系统的二阶非奇异快速终端滑模变量为：其中，0&...

【专利技术属性】
技术研发人员：林海，翟晋平，王正来，盛丹洁，张琳虎，曲正，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61