利索能及
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专利号: 2020111779170
申请人: 杭州电子科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于增强型误差模型的平衡车控制方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、利用牛顿第二定律对平衡车建立简化模型,具体包括:在暂不考虑转向问题时,将平衡车系统等效于一个一级倒立摆,设倒立摆摆杆的质量为m,摆杆的总长度为2l,其中摆杆的重心位于杆的中间,即距离两端长度均为的l的地方,摆杆的倾斜角度为θ,摆杆围绕下方转轴的转动惯量为J,摆杆受到底部小车对其横向作用力等于小车受到的驱动力为u,摆杆受到底部小车对其竖向作用力为H;底部可以左右移动小车的质量为M,小车横向运动距离为z;

则摆杆重心的水平位置可以表示为:

x=z+lsinθ            (1)对式(1)求导,可得摆杆重心水平方向的加速度为:同理,摆杆中心的垂直位置唯一表示为:

y=lcosθ             (3)对式(3)求导,可得摆杆重心垂直方向的加速度为:因为摆杆在水平方向的受力为H,根据牛顿第二定律,可得摆杆水平方向方程为:同理,因为摆杆在垂直方向上受到重力mg,支持力v的作用,垂直方向方程为:同时,摆杆在水平推力H和垂直方向推力v的作用下,围绕重心的转动方程为:对底部小车进行受力分析,小车在水平方向上受到驱动力u和反作用力H,运动方程为:对式子(5)、式子(8)化简可以平衡车的运动方程为:由式子(5),(6),(7),(8)化简可得平衡车的第二个运动方程:因为平衡车正常运行状态时,倾角θ总是在零度附近,所以三角函数可以简化为:sinθ≈θ,cosθ≈1                             (11)将近似关系(11)带入到运动方程(9)、(10),且因为 项相对其他项较小,舍弃该项,则平衡车的运动方程可以化简为:将微分方程(12)、(13)等效转换:通过驱动力变量u控制倾角θ,使得从变量u到变量θ的传递函数稳定,并将倾角θ的设定值设定为零度,当站立在平衡车上的使用者控制自己身体的重心向前倾时,对倾角θ控制的调节作用u同时会使得平衡车向前加速;同理当使用者的身体重心向后倾斜时,平衡车会向后加速;

相比于式(14)、(15)所示的一级倒立摆模型,平衡车的变量M等于零,所以式子(15)可以化简为:同时,将平衡车的重心位置近似位于倒立摆摆杆的中间位置,则转动惯量为:2

J=ml                                         (17)将转动惯量带入式子(16),平衡车倾角控制方程简化为:令变量x1=θ, 将平衡车倾角控制方程转为状态空间方程形式:步骤2、采用基于输出反馈的自适应控制方法,使用基于增强型误差模型的自适应控制器控制平衡车的倾角,具体包括:采用平衡车的倾角作为输入变量,同时采用估计器估算出实时的角速度,避免直接采用易受干扰的陀螺仪角速度数据,所述自适应控制器将自动在平衡车运动过程中估计未知量 并同时调节控制器的参数,已知被控对象的微分方程为式(18),变量y表示平衡车的倾角,则倾角y与输入的驱动力变量u之间的关系用微分方程表示为:参考模型微分方程代表了希望的被控对象实现的控制性能,设参考模型的微分方程为:其中am1,am0,bm0为参考模型的传函系数;

倾角y的误差可以定义为:

ε=y‑ym              (22)则可以得到倾角的误差模型为:

T

ε=Wm(s)(bm0g‑θω‑b0u)              (23)其中, 为滤波器方程,k为滤波器传函系数;

为了将误差模型转换为静态误差模型形式,控制项选择为:将控制项带入误差模型,得到:

增强型误差模型定义为:

将误差ε带入到增强型误差模型,误差转换为静态误差模型形式:静态误差模型的自适应公式表示为:

归一化增益可以表示为: