倒立摆系统的动态平衡控制方法及智能平衡车控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机器人自动控制系统及其控制方法，尤其是涉及一种车辆的自主 平衡控制系统和控制方法，应用于倒立摆控制技术领域，适用于将控制策略应用及开展各 种控制实验平台，尤其适合应用于机器人辅助载人代步装置的控制领域，特别是适用于自 平衡车，它适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育 场馆、高尔夫球场、机场、办公大楼、工业园区、大型公园及广场、生态旅游风景区、城市中的 生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的代步工具。
【背景技术】
[0002] 倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，但是倒立摆控制系统是 一个复杂的、不稳定的、非线性系统，移动状态的倒立摆系统，其稳定性有关的信号控制更 加繁复和不稳定，导致高质量稳定性的控制难度增加。
[0003][0004][0005] 常规倒立摆系统的动态平衡控制算法，虽然也能实现平衡车的自主平衡，但平台 容易抖动，影响驾乘的舒适度，也存在安全隐患，这使得自平衡车在行驶过程中的动态平衡 控制成为亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0006] 本发明主要针对技术存在的不足，提供了一种倒立摆系统的动态平衡控制方法， 通过对倒立摆系统进行信息采集与处理、滤波处理、信号融合和数据融合技术，提高整车的 平衡稳定性和可靠性，通过定制的动态平衡控制方法，减少由于自平衡车运动中产生刚性 干涉形成微小扰动，提高基于倒立摆系统的智能平衡车的驾乘稳定性、安全性和舒适性，降 低软硬件控制策略的实现成本。
[0007] 本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：
[0008] -种倒立摆系统的动态平衡控制方法，其要点在于，包括以下步骤：
[0009] SI:通过检测一系列传感器的信息，初始化倒立摆系统；
[0010] S2:缓存对于倒立摆系统的上一时刻信息精确值数据；
[0011] S3:通过信息采集单元，获取对于倒立摆系统的当前时刻的各传感器的信息采样 值；
[0012] S4:进行初步数据处理，得到对于倒立摆系统的当前时刻信息采样值，并将对于 倒立摆系统的当前时刻的信息采样值输入滤波处理单元进行后续处理，如果采集过程未完 成，则返回S2步骤；
[0013] S5:采用滤波处理单元，将在S2步骤中的上一时刻信息精确值缓存数据和在S4步 骤中的当前时刻信息采样值一起作为滤波处理单元的数据源，通过滤波处理单元的处理生 成倒立摆系统的当前时刻信息精确值，并缓存对于倒立摆系统的当前时刻测量精确值数 据；
[0014] S6:对于倒立摆系统的当前时刻信息精确值输入信号融合单元进行后续处理，如 果滤波处理过程未完成，则返回S5步骤；
[0015] S7:采用信号融合单元，将S6步骤中的信息精确值作为信号融合单元的数据源， 通过信号融合单元的运算处理生成倒立摆系统的摆杆在当前时刻的精确姿态数值，再将倒 立摆系统的摆杆在当前时刻的精确姿态数值数据输入数据融合单元进行后续处理；
[0016] S8:采用数据融合单元，将S7步骤中的精确姿态数值数据作为数据融合单元的数 据源，通过数据融合单元的运算处理生成轮毂电机能够识别的控制指令信号，再将控制指 令信号输入轮毂电机的驱动模块，使轮毂电机驱动车轮进行正转或反转，使倒立摆系统维 持当前动态平衡状态，通过信号融合单元和数据融合单元生成控制指令信号的同时，返回 上述S2步骤中，继续更新对于倒立摆系统的当前时刻的各传感器的测量信息，继续运算和 处理对于倒立摆系统的摆杆在下一时刻的精确姿态数值，通过数据融合单元输入控制器控 制轮毂电机，驱动车轮转动，从而使倒立摆系统维持下一个平衡状态，并以如此信号处理的 方式不断进行后续循环。
[0018]
[0017] 作为优选，在S8步骤中采用数据融合单元，得到第i时刻倒立摆系统维持动态平 衡的控制算法：
[0019]
[0020] 其中，Oi是第i时刻轮毂电机转矩的变量，ζ是陀螺仪和加速度计的滤波系数， Θ H是第i-Ι时刻陀螺仪和加速度融合姿态的角度，K是数据增益系数，Θ i是第i时刻陀 螺仪和加速度融合姿态的角度，η是电机效率，S是传感器受外界环境影响的噪声系数， ω是比例系数，Ai是第i时刻驱动车轮的轮毂电机的转速，μ是传感器数据融合的调整 系数，Ai是第i时刻轮毂电机的电气角度，Λ是角度补偿常数，γ是编码器的滤波系数， T是第i时刻与第i_l时刻之间的时间间隔。将第i时刻通过数据融合单元的运算处理生 成轮毂电机能够识别的控制指令信号，输入轮毂电机的驱动模块，轮毂电机驱动车轮进行 正转或反转，来调整车体趋向动态平衡稳定状态。
[0021] 本发明还提供了一种实施上述倒立摆系统动态平衡控制方法的智能平衡车控制 系统，包括电源系统，其要点在于它还包括：信号采集子系统、信号整理子系统、信号处理子 系统、数据处理子系统；
[0022] 电源系统为各系统和电子器件供电；
[0023] 信号采集子系统，包括陀螺仪、加速度计、编码器和采集控制芯片；
[0024] 信号整理子系统，包括滤波处理单元和缓存单元；
[0025] 信号处理子系统，包括信号融合单元；
[0026] 数据处理子系统，包括数据融合单元。
[0027] 作为优选，所述陀螺仪实时检测车体的倾斜角度，即实时检测车架平台的倾斜角 度；加速度计实时检测车轮轴的转动角度；编码器实时监测驱动车轮的轮毂电机的电气角 度；采集控制芯片处理陀螺仪、加速度计和编码器的检测信息，得到信息采集子系统在每一 时刻的检测信息的采样值。
[0028] 作为优选，所述滤波处理单元整理从采集控制芯片接收到的信息采样值和调用缓 存单元中存储的上一时刻信号精确数据，处理生成当前时刻的信息精确值；缓存单元缓存 当前时刻滤波处理单元生成的信号精确数据作为下一时刻的滤波处理单元的数据源之一。
[0029] 作为优选，所述信号融合单元将从滤波处理单元接收到的当前时刻的信息精确 值作为数据源，通过运算处理生成车架平台在当前时刻的平台角度变化值，也就是当前时 刻的车架平台姿态变化值，再将车架平台在当前时刻的姿态变化值数据输入数据处理子系 统。
[0030] 作为优选，所述数据融合单元通过控制算法运算得到轮毂电机能识别控制量的控 制指令信号，将控制指令信号输入轮毂电机的驱动模块，使轮毂电机驱动车轮进行正转或 反转，来调整车架平台保持水平平衡的稳定状态。
[0031] 作为优选，信息采集单元处理的倒立摆系统信息采样值、滤波处理单元处理的倒 立摆系统信息精确值和信号融合单元处理的倒立摆系统的摆杆的精确姿态数值皆为几何 参数或运动速度参数，通过数据融合单元运算后输出控制指令信号的控制量。
[0032] 作为优选，倒立摆系统为轮式牵引的单级倒立摆系统，是由单级直线式倒立摆机 构和单级旋转式倒立摆机构组合形成的单级混合倒立摆机构，将倒立摆系统的摆杆的支点 轴设置于车体上，倒立摆系统的摆杆的支点轴轴线与车轮轴线平行，通过信息采集单元、滤 波处理单元和数据处理单元，使倒立摆系统的摆杆趋向于竖直镇定平衡。
[0033] 作为优选，倒立摆系统的摆杆的支点轴轴线与车轮轴线重合，即由车体作为倒立 摆系统的摆杆，车轮轴同时作为车体的支撑转轴，使车体和车轮同轴转动，在所采用的传感 器之中，陀螺仪测量车体的倾斜角度信息，加速度计测量车轮轴的转动角度信息，编码器测 量驱动车轮的轮毂电机的电气角度信息，其中陀螺仪和加速度计的融合姿态角度反映直线 式倒立摆机构和单级旋转式倒立摆机构组合形成的单级混合倒立摆机构的摆杆姿态变化。 [0034] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
[0035] 1.本发明解决了基于倒立摆系统动态平衡