一种无人自行车几何结构参数优化方法技术

本发明专利技术公开了一种无人自行车几何结构参数优化方法，首先建立线性变参数(linearvariable parameter，LPV)力学模型，并将其写为状态方程的形式，求得状态转移矩阵的特征值，以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标，然后通过分析状态转移矩阵特征值负实部与待优化参数取值的关系，求得目标下的最优参数。并以无人自行车轴距、车把前倾角、后偏距、车轮半径等多种几何结构参数为例，在零动态和以PD控制器控制两种情况下，得到了相应的优化结果，最后结合数据和图像对比验证了优化结果的可靠性。本发明专利技术充分考虑了无人自行车几何结构参数对其平衡稳定速度范围的影响，在相同条件下，本发明专利技术的优化结果能够有效提高无人自行车平衡稳定速度范围，即实现了对无人自行车几何结构参数的优化。何结构参数的优化。何结构参数的优化。

【技术实现步骤摘要】
一种无人自行车几何结构参数优化方法


[0001]本专利技术涉及无人自行车
，具体涉及一种无人自行车几何结构参数优化方法。

技术介绍

[0002]无人自行车是一种可在狭长道路上自主实现平衡运动的新型智能驾驶交通工具。平衡稳定速度范围是自行车性能考核的重要指标，其一方面受控制器的影响，另一方面还与轴距、车把前倾角、后偏距、车轮半径等几何结构参数密切相关。目前，无人自行车研究领域尚缺少对无人自行车几何结构参数进行合理优化的理论方法，因此，在原理上给出一种量化描述无人自行车几何结构参数对系统平衡特性影响的动态模型，并在工程实践中将其用于系统关键结构参数的优化，具有重要的理论意义和实际价值。已有的文献研究表明，线性变参数(linear variable parameter，LPV)力学模型是一种经典的无人自行车模型，可以较为简洁有效地诠释无人自行车几何结构参数和实时的运动参数的二阶动态响应关系，被广泛地应用于无人自行车研究领域，尤其是系统特性分析和平衡控制器设计中。然而，迄今为止，鲜有研究人员注意到可以利用该模型对其中隐含的几何结构参数进行合理地选择优化。

技术实现思路

[0003]本专利技术提供一种无人自行车几何结构参数优化方法，用于优化无人自行车机械结构，以便提高其平衡稳定速度范围。
[0004]为解决上述问题，本专利技术通过以下技术方案实现：
[0005]一种无人自行车几何结构参数优化方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1、建立无人自行车LPV模型：
[0007][0008]选取状态变量，将LPV模型表达式写为状态方程的形式，得到状态转移矩阵：
[0009][0010][0011][0012][0013]1)当无人自行车处于零动态时，以矩阵A为状态转移矩阵；
[0014]2)当无人自行车处于PD控制器控制时，以矩阵A
*
为状态转移矩阵；
[0015]步骤2、确定要优化的几何结构参数和约束条件，求解状态转移矩阵特征值，以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标；
[0016]步骤3a、当无人自行车处于零动态时，通过分析其状态转移矩阵A的特征值负实部与待优化参数的取值关系，求得目标下的最优参数；
[0017]步骤3b、当无人自行车处于PD控制器控制时，通过分析其状态转移矩阵A
*
的特征值负实部与待优化参数的取值关系，求得目标下的最优参数；
[0018]步骤4、验证优化结果的可靠性。
[0019]上述步骤1中，M是质量矩阵；C是“阻尼”矩阵；K是刚度矩阵；K是刚度矩阵；δ分别是车架横滚角和车把转角；分别是q在时间域上的一阶导数和二阶导数； f＝[0 τ]T
，τ为车把力矩。
[0020]状态变量状态变量是状态变量x在时间域上的一阶导数；输入变量u＝τ(零动态时τ＝0，PD控制器控制时τ＝
‑
kx，k为PD控制器参数)；矩阵矩阵
[0021]上述步骤2中，根据控制工程原理当状态方程中状态转移矩阵特征值实部均小于零时即认为系统稳定，则状态转移矩阵特征值实部均小于零时对应的速度范围即为无人自行车平衡稳定速度范围。
[0022]与现有技术相比，本专利技术具有如下特点：
[0023]1.本专利技术通过借助LPV模型，对无人自行车状态转移矩阵特征值进行分析，定量表征了无人自行车几何结构参数和其平衡稳定速度范围的内在联系，具有严谨可靠的理论基础。
[0024]2.通过以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标，分析其状态转移矩阵的特征值负实部与待优化参数的取值关系，求得目标下的最优参数，实现了对无人自行车几何结构参数进行优化的目标，工程意义明显。
附图说明
[0025]图1是本专利技术的流程图。
[0026]图2为无人自行车机械结构简图，其中H、B、R、F是组成无人自行车的四个刚体，分别为车把、车架、后车轮、前车轮；w为轴距、α为车把前倾角、c为后偏距、r为车轮半径。
[0027]图3中图(a)和图(b)分别为实例一中零动态时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优轴距w和最优轴距w
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围(图中阴影部分)图；图中实线为特征值实部Re(λ)曲线，虚线为特征值虚部Im(λ)曲线，下同。
[0028]图4中图(a)和图(b)分别为实例一中零动态时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优车把前倾角α和最优车把前倾角α
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围图。
[0029]图5中图(a)和图(b)分别为实例一中零动态时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优后偏距c和最优后偏距c
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围图。
[0030]图6中图(a)和图(b)分别为实例一中零动态时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优车轮半径r和最优车轮半径r
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围图。
[0031]图7中图(a)和图(b)分别实例二以PD控制器控制时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优轴距w和最优轴距w
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围图。
[0032]图8中图(a)和图(b)分别为实例二以PD控制器控制时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优车把前倾角α和最优车把前倾角α
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围图。
[0033]图9中图(a)和图(b)分别为实例二以PD控制器控制时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优后偏距c和最优后偏距c
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围图。
[0034]图10中图(a)和图(b)分别为实例二以PD控制器控制时以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标下的非最优车轮半径r和最优车轮半径r
*
对应的无人自行车平衡稳定速度范围图。
具体实施方式
[0035]为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以无人自行车轴距w、车把前倾角α、后偏距c、车轮半径r作为优化对象并结合多种情况下的具体实例，对本专利技术做进一步详细说明。
[0036]实例一：当无人自行车处于零动态时，对无人自行车的轴距w、车把前倾角α、后偏距c、车轮半径r进行优化。
[0037]首先对轴距进行优化，步骤如下：
[0038]步骤1、建立无人自行车LPV模型：
[0039][0040]式中，m
11
、m
12
、m
21
、m
22
、c
11
、c
12
、c
21
、c
22
、k
11
、k
12
、k
21
、k
22
是与无人自行车LPV 模型参数有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人自行车几何结构参数优化方法，其特征是，包括步骤如下：步骤1、建立无人自行车LPV模型：选取状态变量，将LPV模型表达式写为状态方程的形式，得到状态转移矩阵：得到状态转移矩阵：得到状态转移矩阵：得到状态转移矩阵：1)当无人自行车处于零动态时，以矩阵A为状态转移矩阵；2)当无人自行车处于PD控制器控制时，以矩阵A
*
为状态转移矩阵；步骤2、确定要优化的几何结构参数和约束条件，求解状态转移矩阵特征值，以无人自行车平衡稳定速度范围最大为目标；步骤3a、当无人自行车处于零动态时，通过分析其状态转移矩阵A的特征值负实部与待优化参数的取值关系，求得目标下的最优参数；步骤3b、当无人自行车处于PD控制器控制时，通过分析其状态转移矩阵A
*
的特征值负实部与待优化参数的取值关系，求得目标下的最优参数；步骤4、验证优化结果的可靠性。2.根据权利要求1所述的一种无人自行车几何结构参数优化方法，其特征是，步骤1中借助LPV模型来分析研究多种几何结构参数对无人自行车平衡稳定速度范围的影响。3.根据权利要求1所述的一种无人自行车几何结构参数优化方法，其特征是，步骤1中通过将LPV模型写成状态方程的形式，然后在步骤2中对矩阵A(A
*
)特征值实部进行分析，来判断相应参数下无人自行车是否可以实现自平衡运动。4.根据权利要求1所述的一种无人自行车几何结构参数优化方法，其特征是，步骤2中通过分析矩阵A(A
*
)特征值负实部与待优化参数取值关系，求取无人自行车最大的平衡稳定速度范围具体步骤如下：1)令待优化参数和速度分别在o
min
～o
max
和v
min
～v
max
范围内以固定步长变化，分别存在数组o和数组v中；2)求矩阵A(A
*
)的特征值，并将四个特征值的实部取出分别存在数组rRn(n＝1～4)中；3)找出矩阵A(A
*
)的四个特征值实部均小于零时的位标存在数组num中；4)找出四个特征值实部均小于零时对应的待优化参数和速度值位标，分别存在数组p和q中：数组p中的各个元素p(i)由num(i)/l向上取整得到，数组q中的各个元素q(i)＝num(i)
‑
(p(i)
‑
1)*l，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄未，杨海洋，黄用华，梁子彦，黄美发，刘夫云，马玄，钟永全，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：