一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，包括传感器测量模块、主控芯片和电机系统，其中，传感器测量模块用于采集自平衡机器人运动参数，电机系统用于驱动两轮自平衡机器人运动；主控芯片与传感器测量模块和电机系统相连接，用于根据传感器测量模块采集的运动参数控制电机系统的运动；主控芯片中设置滑模自适应控制器，滑模自适应控制器的输出方程为：U＝?(K+φ)X。采用本发明的技术方案，能够对外界环境进行自适应同时能够最大程度降低外界环境中各种干扰对两轮自平衡机器人的影响并且不损失鲁棒性，同时本发明还会利用机器学习对一些长期积累因素进行磨合使两轮自平衡机器人具有最优的性能，从而保证了安全性与稳定性。
【专利说明】
一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统
技术领域
[0001 ]本发明涉及两轮自平衡机器人控制领域，尤其涉及一种两轮自平衡机器人滑模自 适应控制系统。
【背景技术】
[0002] 两轮自平衡机器人是一种利用传感器感知自身状态，然后通过控制算法控制马达 转动，从而实现自平衡。近年来，随着两轮自平衡机器人技术不断完善以及成本不断降低， 逐渐成为更多人接受的代步工具，使两轮自平衡机器人开始从实验研究阶段转变为大众型 的代步工具，其所面临的环境和任务也越来越复杂。
[0003] 目前市场上有各种类型的平衡机器人，大多使用PID控制算法，该算法通过采集两 轮自平衡机器人当前角度并计算与目标角度的偏差，在将这个偏差进行比例、积分、微分运 算计算出马达控制量从而实现两轮自平衡机器人自平衡。这种算法简单实用但并不是最理 想的控制器，因为在复杂的运行环境中，该算法在很多时候处理的并不是很好，比如，该方 法在外界存在干扰时，就会使控制出现抖震，在干扰特别大时，还会使平衡车失去平衡；同 时，PID算法使用比例、积分、微分这三个成员进行线性组合也是不合理的，这种线性组合的 方式会使其在系统鲁棒性和系统稳定性上无法两者兼顾，提高鲁棒性会使稳定性降低，反 之提高稳定性则降低鲁棒性。也就是说使用PID算法的平衡车如果把鲁棒性调高，则它具有 很强的保持直立的能力但一旦角度偏差过大则容易使其失去控制，从而造成危险的结果， 如果把稳定性调高则，则会使其鲁棒性降低，从而导致平衡车承受负载的能力下降。总而言 之，PID算法鲁棒性不够好，响应速度不够快，面对较大的扰动时，系统不稳定，当外部路面 条件变化的时候，不能自适应较复杂的外部环境以及大范围负载的变化，使系统的抖振非 常大。
[0004] 故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案， 解决现有技术中存在的缺陷。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，使建模过程更加精 简且全面、增强系统的鲁棒性、提高系统的响应速度;能够应对较大的外部扰动;能够自适 应外部环境以及大范围负载的变化;能够自动检测负载的加入;系统中参数的值更加精确； 速度控制方式多样化。
[0006] 为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的技术方案为：
[0007] -种两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，包括传感器测量模块、主控芯片和 电机系统，其中，所述传感器测量模块用于采集自平衡机器人运动参数，该运动参数至少包 括角速度信号和加速度信号;所述主控芯片根据角速度信号和加速度信号能够获取角度参 量Θ和角速度<
[0008] 所述电机系统用于驱动两轮自平衡机器人运动；
[0009] 所述主控芯片与所述传感器测量模块和所述电机系统相连接，用于根据所述传感 器测量模块采集的运动参数控制所述电机系统的运动；
[0010] 所述主控芯片中设置滑模自适应控制器，所述滑模自适应控制器根据实时输入的 角度参量Θ和角速度^控制输出电压U从而驱动电机系统运动；
[0011 ]所述滑模自适应控制器的输出方程为：
[0012] υ = -(Κ+Φ )X；
[0013] 其中，X为角度参量Θ和角速度力的集合，K是通过极点计算出来的参数矩阵；Φ取值 是根据以下公式决定：
[0014] γ是自适应速率，e为角度误差参数，C取[0 0 1 1]。 ，
[0015] 优选地，所述滑模自适应控制器中还设置机器学习表（Map)，所述机器学习表 (Map)用于根据输入的角度参量Θ和角速度g调节输出电压U。
[0016] 优选地，所述滑模自适应控制器还包括机器学习模块，所述机器学习模块用于根 据输入的角度参量Θ和角速度^更新所述机器学习表(Map)。
[0017]优选地，所述滑模自适应控制器的输出方程为：
[0018] υ = -(Κ+Φ)Χ+Μ&?(Χ):其中，
[0020] 优选地，所述传感器测量模块至少包括陀螺仪和加速度计。
[0021] 优选地，所述陀螺仪的型号为L3G420D。
[0022]优选地，所述加速度计的型号为LSM303D。
[0023] 优选地，还包括通讯模块，所述通讯模块用于实现自平衡机器人与外部设备进行 数据通讯。
[0024] 优选地，还包括转向杆线性霍尔传感器，所述转向杆线性霍尔传感器用于实现自 平衡机器人转向控制。
[0025] 优选地，所述主控芯片采用DSP芯片。
[0026]与现有技术相比较，本发明能够对外界环境进行自适应同时能够最大程度降低外 界环境中各种干扰对两轮自平衡机器人的影响并且不损失鲁棒性，同时本发明还会利用机 器学习的方法对一些长期积累因素（如两轮自平衡机器人的机械特性或人为的操作习惯） 进行磨合使两轮自平衡机器人具有最优的性能，从而保证了安全性与稳定性。
[0027] 说明书附图
[0028]图1为本发明中两轮自平衡机器人控制系统的结构框图；
[0029] 图2为为本发明中滑模自适应控制器的结构框图；
[0030] 图3本发明中采用的倒立摆模型结构；
[0031] 图4为本发明中两轮自平衡机器人控制系统的执行流程图；
[0032]图5为仿真运行一段时间后地机器学习库的状态图；
[0033]图6为仿真时本发明在一定仿真条件的角度误差图；
[0034]图7为仿真时本发明没有机器学习模块情况下在一定仿真条件的角度误差图；
[0035]图8为与在同样的仿真条件下传统PID算法的角度误差图。
【具体实施方式】
[0036]参见图1，所示为本发明一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统的原理框图， 包括传感器测量模块、主控芯片、通讯模块、转向杆线性霍尔传感器和电机系统，其中，传感 器测量模块采用于集自平衡机器人运动参数，至少包括陀螺仪和加速度计，分别用于采集 角速度信号和加速度信号，其中，陀螺仪的型号为L3G420D，加速度计的型号为LSM303D;电 机系统用于驱动两轮自平衡机器人运动，电机系统为两轮自平衡机器人的动力执行系统， 至少包括无刷电机及其驱动电路;通讯模块采用串口通信模块或者无线数据传输模块，用 于与外部设备进行数据通讯，以便于系统调试和维修检测;转向杆线性霍尔传感器用于实 现自平衡机器人转向控制；主控芯片与传感器测量模块和电机系统相连接，用于根据所述 传感器测量模块采集的运动参数控制所述电机系统的运动;进一步的，主控芯片采用DSPS 片，在其中设置滑模自适应控制器，参见图2,所示为本发明中滑模自适应控制器的原理框 图，其中，滑模自适应控制器的输出方程为：
[0037] U = -(K+ Φ )X；
[0038] 其中，滑模自适应控制器根据实时输入的角度参量Θ和角速度^控制输出电压U从 而驱动电机系统运动；电机系统运动使角度参量Θ和角速度力发生改变并反馈至滑模自适应 控制器，从而运动参数的反馈量可以调节输出电压U，并不断循环该过程，使两轮自平衡机 器人能够最大程度降低外界环境中各种干扰。
[0039] 上式中，X为角度参量Θ和角速度^的集合，K是通过极点计算出来的参数矩阵；Φ取 值是根据以下公式决定：
[0040] 一 =-处γ是自适应速率，e为角度误差参数，C取[0 0 1 1]。 :，
[0041 ] 上述滑模自适应控制器的设计原理如下：
[0042]两轮自平衡机器人的系统可以等效看作是一个倒立摆模型，参见图3,所示的倒立 摆模型结构为现有技术通用的动力模型。从能量和动量角度分析，利用拉格朗日动力学理 论，可以得到以下描述：
(1)
[0044] U = -mgl+mglcosB (2)
[0045] (1)式和(2)式中，m为车身质量，Mw为转子(轮胎)质量，1为摆杆长度、为平衡车转 动惯量、Jm为转子(轮胎)转动惯量，这些参量都为自平衡机器人的固有参量，取决于自平衡 机器人机械架构;在倒立摆模型下的不同机械架构，上述参量会发生变化。
[0046] 其中，Xw为路程、尤为速度、Θ为角度和涹为角速度为自平衡机器人的运动参量，这 些数据可以通过传感器采集到。
[0047] 在两轮自平衡机器人控制中，Θ变化范围很小所以COS0可以近似为l，sin0可以近 似为Θ，然后根据(1)、（ 2)两个方程联立可以得到：
[0050]写成状态空间形式：
[0052]然后我们可以另
2于是动力学模型可简化为 .， (6)
[0054] 即简写形式：
[0055] M = AX + BU (7)
[0056] 由公式(7)可以选择合适的系统控制极点设计出控制器(一般p = [ vl，v2，v3，v4]， ￥1，￥2，￥3，￥4〈0利用11^1：1313中口13〇6函数计算出1(，1( = 口13〇6(厶，13，口）），从而得到下式：
[0057] U = _K · X (8)
[0058] 其中，K是通过选择合适极点计算出来的参数矩阵，X为
[0059] 式(8)的控制器输出方程能够很好的实现直立自平衡，并且在控制精度上远优于 PD控制，在极端情况中不易失控，但这个控制器缺少对外界条件的适应力，因此，本发明在 此基础上还对控制器进行进一步优化。
[0060] 为了提高控制器的自适应能力，根据滑模控制理论在控制器加入滑模参量。滑模 的最大优点在于鲁棒性强并且对于外界条件变化引起的参数摄动具有很强的免疫力。于是 将控制器设计为：
[0061] υ = _(Κ+Φ)Χ (9)
[0062] 其中K= [ki k2 k3 k4]，Φ = [ Φ 1 Φ 2 Φ 3 Φ4]，Φ取值是根据以下公式决定：
[0063] ^-signilK^reC1 X (1〇)
[0064] 滑模参量Φ会根据实际采集值与误差进行不断累加和更新，当控制力度不足或过 渡时Φ就会发生变化增大或减少，从而一直保持控制器输出最优结果，从而实现对参数摄 动的抵抗作用。其中，sign为符号函数，γ是自适应速率，为常量，实际调试中选取合适值;e 为角度误差参数，采集角度和期望角度的差值。
[0065]为了使控制器输出方程稳定，必须符合李雅普诺夫稳定性原理，证明如下：
[0066] (7)式动力学方程可简化为：
[0067] X = Α·Χ + Β·?
[0068] Y = C · X (11)
[0069] 将重新设计的控制器(9)式代入动力学方程，可以得到：
[0070] = A-X + B {-{K + φ) 1 j
[0071] Y = C · X (12)
[0072] 其中v为控制器输入向量。
[0073] 定义矩阵P，若存在矩阵Q满足ATP+PA = -Q，PB = C，C取[0 0 1 1]，这里只要满足矩 阵A是满秩，就可以证明Q存在。通过Matlab计算出r(A) = 4。
[0074]由此可见矩阵A为满秩矩阵。然后构造能量函数：
(13)
[0076] 对V求导并代入(11)式与（13)式可得： V = X' [PA + A1 p) X + 2Xl PB(K + φ) V -2X(K + φ)(Ψ = --Χι ΟΧ <{)
[0078]由此证明了该控制器满足李雅普诺夫稳定性原理。
[0079] 通过上述技术方案，显著提高了自适应能力，但对在使用过程中的长期变化会每 次都重新匹配，比如两轮自平衡机器人的机械特性或人为的操作习惯，无法智能匹配。
[0080] 为了解决上述技术问题，本发明根据机器学习的理论，对两轮自平衡机器人的控 制器进行进一步优化使其能够适应人的各种习惯，在滑模自适应控制器中设置机器学习表 (Map)，机器学习表(Map)是在出厂时根据运行环境和驾驶习惯针对各种输入的角度参量Θ 和角速度力调试出来的一张参数表，在实际运行中，能够根据输入的角度参量Θ和角速度6 在Map表中查找所对应的参数值，从而能够调节输出电压U。
[0081 ]在一种优选实施方式中，滑模自适应控制器还包括机器学习模块，机器学习模块 用于根据输入的角度参量Θ和角速度冷更新机器学习表(Map)，从而使机器学习表(Map)中的 参数始终保持最优值，从而能够适应人的各种习惯。
[0082] 由此，控制器的输出方程如下：
[0083] υ = -(Κ+Φ )X+Map(X) (16)
[0084] 式（16)是在(9)式控制器输出方程的基础上进行扩展，其中Map(X)是通过机器学 习的方法对控制器进行优化的参数表。该优化主要针对两轮自平衡机器人系统在实际情况 中的非线性因素，例如人的主观控制，从而改善驾驶操控。
[0085]该控制器前段已在之前通过稳定性证明，只需要证明后端，定义能量函数：
(17)
[0087] 求导后得到：
(18)
[0089]其中 xb = Y = cX [0090 ]使用梯度优化法取：
(19)
[0092] 这里P为梯度法步进，可以使
当e = 0是取"="。
[0093] Map本质上是一张查找表，该方法会对每一个X根据误差和能量进行单独修正，从 而使控制器在运行时能量I LI能够收敛到区间（vmin，vmax)内从而使控制不会产生过渡响应， 实际调试中在平衡车加速和减速时，由于加速和减速不平滑因此会产生较大的I L I该方法， 该方法使直立车加减速平滑化，给人一种比较柔和的感觉尤其是在起步和停车过程中，这 种感觉会更加明显。
[0094] 在一种优选实施方式中，主控芯片获取角速度信号和加速度信号，通过頂U算法计 算出4元数，再通过4元数还原出三个方位的欧拉角。从而计算得到角度参量Θ和角速度汐。
[0095] 参见图4,所述为本发明两轮自平衡机器人的系统执行流程图，通过传感器模块获 取两轮自平衡机器人姿态，通过转向杆上的线性霍尔传感器获取转向期望信号，然后通过 DSP芯片进行运算处理，分别计算出两只无刷电机的控制量，从而实现自平衡。在此同时本 发明还将一些系统参数通过通讯模块发送出去，以便实时监测与观测。
[0096] 该系统在开始执行后首先进行初始化，然后分两条不同频率的任务，一条是方向 控制，执行周期为20ms;另一条为本发明的平衡控制，执行周期为5ms。其中平衡控制首先通 过传感器(陀螺仪和加速度计)采集角速度信号和加速度信号，然后通过姿态计算计算出两 轮平衡车角度，然后根据角度计算出自适应律，并通过自适应控制器计算出自适应控制输 出，接着根据Map查找出最优的Map输出，然后根据采集到的信号更新Map库，再将Map输出与 自适应输出进行叠加从而计算出平衡控制输出，最后将直立控制和方向控制的控制输出进 行叠加然后滤波从而控制电机输出。
[0097] 采用本发明的技术方案，能够对外界环境进行自适应同时能够最大程度降低外界 环境中各种干扰对两轮平衡车的影响并且不损失鲁棒性，同时还能利用机器学习的方法对 一些长期积累因素（如两轮平衡车的机械特性或人为的操作习惯)进行磨合最终使两轮平 衡车具有优秀的性能。
[0098] 参见图5,所示为仿真运行一段时间后地机器学习库的状态图，其中仿真条件是在 其输入信号加载峰峰值为1频率为3kHz的g高频扰动和幅度为0.01的噪声信号。在运行一段 时间后，其运行时出现的每个角度与角速度状态都经过机器学习、更新演化出如图6所示的 机器学习 Map表，可以看出在经机器学习以后，Map表对改机器学习的高频扰动和噪声信号 的反应更为均匀，从而实现对控制器进行进一步的优化。
[0099]参见图6,所示为本发明在输入信号加载峰峰值为1频率为3kHz的g高频扰动和幅 度为0.01的噪声信号仿真时的角度误差变化曲线，图7为在同样仿真条件下移除机器学习 功能时的角度误差变化曲线，图8为在同样仿真条件下传统PID算法的角度误差变化曲线。 从图6,图7和图8的仿真结果对比可以很明显的发现本发明的性能明显要优于传统PID算 法，从图6和图7的对比，可以清楚的算出本发明中的机器学习模块可以对与控制中的细节 部分进行进一步地改善从而增强了本发明的自适应控制性能。
[0100]以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对 于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行 若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0101]对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义 的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发 明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特 点相一致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，包括传感器测量模块、主 控忍片和电机系统，其中，所述传感器测量模块用于采集自平衡机器人运动参数，该运动参 数至少包括角速度信号和加速度信号;所述主控忍片根据角速度信号和加速度信号能够获 取角度参量Θ和角速度^; 所述电机系统用于驱动两轮自平衡机器人运动； 所述主控忍片与所述传感器测量模块和所述电机系统相连接，用于根据所述传感器测 量模块采集的运动参数控制所述电机系统的运动； 所述主控忍片中设置滑模自适应控制器，所述滑模自适应控制器根据实时输入的角度 参量Θ和角速度接控制输出电压U从而驱动电机系统运动； 所述滑模自适应控制器的输出方程为： υ = -(Κ+Φ 巧； 其中，X为角度参量Θ和角速度谷的集合，Κ是通过极点计算出来的参数矩阵；Φ取值是根 据W下公式决定：y是自适应速率，e为角度误差参数，C取[0 0 1 1]D ,2. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，所述滑 模自适应控制器中还设置机器学习表(Map),所述机器学习表(Map)用于根据输入的角度参 量9和角速度谷调节输出电压U。3. 根据权利要求2所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，所述滑 模自适应控制器还包括机器学习模块，所述机器学习模块用于根据输入的角度参量Θ和角 速度苗更新所述机器学习表(Map)。4. 根据权利要求3所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，所述滑 模自适应控制器的输出方程为：〇5. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，所述传 感器测量模块至少包括巧螺仪和加速度计。6. 根据权利要求5所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，所述巧 螺仪的型号为L3G420D。7. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，所述加 速度计的型号为LSM303D。8. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，还包括 通讯模块，所述通讯模块用于实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯。9. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，还包括 转向杆线性霍尔传感器，所述转向杆线性霍尔传感器用于实现自平衡机器人转向控制。10. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制系统，其特征在于，所述 主控忍片采用DSP忍片。
【文档编号】B25J5/00GK106078744SQ201610532075
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月30日
【发明人】陈龙, 胡华, 满志红, 黄明, 马学条
【申请人】杭州电子科技大学