一种无人自行车侧向平衡的鲁棒控制方法技术

本发明专利技术公开了一种无人自行车侧向平衡的鲁棒控制方法，旨在提高系统在多源干扰影响下的鲁棒性，保证无人自行车维持侧向平衡的稳定性。方法具体包括如下步骤，首先对无人自行车建立改进的LPV力学模型，完成状态变量的降维；其次设计线性扩张状态观测器，实现集总干扰的估计和前馈补偿；随后设计非奇异终端滑模控制器，选取合适的非线性滑模面函数及设计非奇异终端滑模控制律；接着结合两者构建鲁棒控制器，使侧向倾角状态在有限时间收敛到平衡点；最后将控制器输出的控制力矩转换成调制脉宽信号，实现对无人自行车的侧向平衡控制。本发明专利技术提升了无人自行车在多源干扰下侧向平衡控制系统的鲁棒性和抗干扰能力，具有重要的工程意义。意义。意义。

【技术实现步骤摘要】
一种无人自行车侧向平衡的鲁棒控制方法


[0001]本专利技术涉及平衡自行车
，具体涉及一种无人自行车侧向平衡的鲁棒控制方法。

技术介绍

[0002]无人自行车是一种新型的智能交通工具，其中平衡控制是无人自行车应用首要解决的问题。无人自行车在实现平衡运动控制的过程中，会受到外界干扰、内部参数摄动及未建模动态系统不确定性等多源干扰的影响，从而导致自行车的侧向平衡能力下降。因此，在扰动下对无人自行车的反馈控制是实现自平衡的关键技术之一。
[0003]无人自行车的平衡运动与控制器的设计存在直接的关联，其中控制器的影响因素主要包含两个方面，其一为自行车几何结构参数，自行车模型当中较为常用的是线性变参数(linear variable parameter，LPV)力学模型，其优势是在车速变化不大且侧向倾角限制在小角度范围内的情况下能较好地描述几何结构参数与运动参数的动态响应关系；其二为控制器的选择，在目前常见的控制算法当中，PID控制、线性二次型调节器(linear quadratic regulator,LQR)、模型预测控制(model predictive control,MPC)、部分反馈线性化方法、线性自抗扰控制方法及模糊滑模控制方法等被应用于自行车平衡运动控制。其中，部分反馈线性化将非线性系统变为线性系统，但面对不确定参数或未建模动态时鲁棒性较弱；线性自抗扰控制具有了一定的鲁棒性能，但其对系统干扰的高阶项估计不足，且干扰补偿后的控制策略尚待改进；模糊滑模控制实现了对被控对象的模型信息和外加干扰的逼近，但其表现出的鲁棒稳定性并没有获得严格的证明。可见目前常应用于自行车的平衡控制算法对多源干扰(如质量负载变化、环境变化、地形地况变化等)抑制能力及鲁棒性较弱，因此亟需提出一种能够应对多源干扰的强鲁棒性的平衡控制方法。

技术实现思路
：
[0004]针对上述现有技术存在的不足，本专利技术提出一种无人自行车侧向平衡的鲁棒控制方法，其目的是降低外界干扰、内部参数摄动及未建模动态系统不确定性对系统动态的影响，提高系统自身鲁棒性，使无人自行车在多源干扰下维持平衡的能力得到保证。
[0005]本专利技术通过以下技术方案实现：
[0006]一种无人自行车侧向平衡的鲁棒控制方法，具体包括步骤如下：
[0007]步骤1、参考无人自行车LPV力学模型，将其改写成状态空间方程，且把车把转角及车把转角速度视为干扰项，完成系统状态变量的降维。随后实现车把转角与车体侧向倾角形式上的解耦，同时考虑系统内部参数和结构的摄动以及外部扰动进而将其等效成一个集总干扰项，得到改进的LPV模型；
[0008]步骤2、设计线性扩张状态观测器，选取适当的观测增益迫使观测误差渐近收敛到0附近的一个有界范围内，观测车把转角、车把转角速度及集总干扰，将扰动观测量通过前馈补偿的形式作用于控制输入端；
[0009]步骤3、得到观测器模型，随后根据非奇异终端滑模控制原理设计非线性滑模面函数s，接着求取控制律当中的等效控制项和设计非线性控制项，综合两者得到系统的非奇异终端滑模控制律；
[0010]步骤4、结合步骤2所述线性扩张状态观测器和步骤3所述非奇异终端滑模控制器构建鲁棒控制器，从而使侧向倾角状态在有限时间收敛到平衡点；
[0011]步骤5、将控制器输出的控制力矩转换成调制脉宽信号(PWM)，由STM32单片机给出控制指令，实现对无人自行车的平衡控制。
[0012]进一步的，所述步骤1中的LPV力学模型具体为：
[0013][0014]其中且δ分别为车架的侧向倾角及车把的转角，分别是q在时间域上的一阶导数和二阶导数；M为系统的质量惯性矩阵，v(t)C1为系统的等效阻尼矩阵，(gK0+v2(t)K2)为系统的等效刚度矩阵，v(t)为车体质心的水平方向线速度，g为重力加速度常数；τ＝(0,τ
δ
)
T
为系统的控制力矩矢量，且τ
δ
为车把的控制力矩。
[0015]进一步的，所述步骤1中的状态空间方程为
[0016][0017]式中，状态变量A＝(a
ij
)4×4和B＝(b
ij
)4×1分别为系统的状态转移矩阵及控制输入矩阵，u(t)为控制输入。
[0018]进一步的，所述步骤1中，将车把转角δ和车把转角速度视作车体侧向倾角的干扰项，经过解耦及加入集总干扰项后的状态空间方程为：
[0019][0020]式中，和分别为取矩阵A和B的第一行及第三行相应元素组成的矩阵，B
ξ
＝(0,1)
T
为集总干扰输入矩阵，变量：
[0021][0022][0023][0024]进一步的，所述步骤2中的线性扩张状态观测器为：
[0025][0026]式中，式中，是状态的估计值，的估计值，C
O
＝(1 0 0)，观测增益L
O
＝(l
i
)3×1，其中l
i
(i＝1,2,3)为观测增益系数。
[0027]进一步的，所述步骤3中的非线性滑模面函数为：
[0028][0029]式中，β＞0，p、q为奇数，且满足1＜p/q＜2。
[0030]进一步的，所述步骤3中的非奇异终端滑模控制律为：
[0031][0032]式中，为集总干扰项的估计值，为系统未知的非线性函数，D＞|d
t
|，d
t
为未知高阶干扰项，η＞0，tanh(*)为关于变量*的双曲正切函数。
[0033]进一步的，所述步骤5中控制力矩与PWM的关系如下：
[0034]τ＝k
PWM
·
V
PWM
[0035]式中，k
PWM
＝k
ω
k
τ
(V
S
/100/R
Ω
)，R
Ω
为电机线圈的电阻，k
ω
为变速器减速比，k
τ
为驱动电机的电流力矩系数，V
S
为电桥的输入电压，V
PWM
为占空比。
[0036]本专利技术的有益效果如下：
[0037](1)与现有技术相比，本专利技术结合线性扩张状态观测器及非奇异终端滑模控制技术形成鲁棒控制器，继承了前者对自行车系统状态整体辨识和后者强鲁棒性的优点，从而克服了自行车内部参数摄动带来的模型与实际动态响应之间的差距，实现了包含外界干扰在内的集总干扰的补偿，最终提升了无人自行车侧向平衡控制系统的鲁棒性和稳定性。
[0038](2)本专利技术在非奇异终端滑模控制律当中采用双曲正切函数代替符号函数，保证了无人自行车鲁棒控制器当中控制量的连续性，进一步减小控制器抖振的影响，以使无人自行车系统更好地适应外界干扰、内部参数摄动及未建模动态系统不确定性的影响。
附图说明
[0039]图1为一种无人自行车的机构简本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人自行车侧向平衡的鲁棒控制方法，具体包括步骤如下：步骤1、参考无人自行车LPV力学模型，将其改写成状态空间方程，且把车把转角及车把转角速度视为干扰项，完成系统状态变量的降维。随后实现车把转角与车体侧向倾角形式上的解耦，同时考虑系统内部参数和结构的摄动以及外部扰动进而将其等效成一个集总干扰项，得到改进的LPV模型；步骤2、设计线性扩张状态观测器，选取适当的观测增益迫使观测误差渐近收敛到0附近的一个有界范围内，观测车把转角、车把转角速度及集总干扰，将扰动观测量通过前馈补偿的形式作用于控制输入端；步骤3、得到观测器模型，随后根据非奇异终端滑模控制原理设计非线性滑模面函数s，接着求取控制律当中的等效控制项和设计非线性控制项，综合两者得到系统的非奇异终端滑模控制律；步骤4、结合步骤2所述线性扩张状态观测器和步骤3所述非奇异终端滑模控制器构建鲁棒控制器，从而使侧向倾角状态在有限时间收敛到平衡点；步骤5、将控制器输出的控制力矩转换成调制脉宽信号(PWM)，由STM32单片机给出控制指令，实现对无人自行车的平衡控制。2.根据权利要求1所述的一种无...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄未，骆泽众，黄用华，梁子彦，黄美发，萧洪亮，孙永厚，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：