模控制的速度跟踪仿真 图，图8-b为在速度参考信号为正弦波下滑模控制速度误差仿真图，图8-c为在速度参考 信号为正弦波下滑模控制角度误差仿真图，图8-d为在速度参考信号为正弦波下滑模控制 器的输出量，从仿真图中可以看出，实际速度和角度跟踪误差很小，能够达到很好的跟踪效 果，系统的响应速度非常快，由于自动控制当中的平衡移动原理，在速度跟踪的时候会出现 相移现象，图9a_d为两轮自平衡机器人在速度参考信号为正弦波下采用现有技术PID控制 算法的性能曲线，从图8和图9的对比可以看出，本设计的自适应滑模控制能够使系统响应 速度更快，鲁棒性更强，从速度和角度误差可以看出，由于相移现象，所以采用自适应滑模 控制，系统的速度跟踪误差稍大一点，但是在平衡位置的时候，采用PID控制，系统会出现 轻微的抖动现象，效果明显不如采用自适应滑模控制器的效果，并且采用PID控制的角度 跟踪误差更大，另外从控制器输出量可以看出，采用自适应滑模控制器，系统更稳定，优势 明显，为了进一步验证本设计的滑模控制器的优势，由于方波信号当中有从0立即变化到1 的时刻，能够更好的验证系统鲁棒性以及响应速度等特性，图l〇a-d为在速度参考信号为 方波下采用自适应滑模控制的性能曲线，图lla-d为在速度参考信号为方波下采用PID控 制的性能曲线，从图10和11中可以看出，系统在由〇变到1时，系统采用自适应滑模控制 的响应速度更快，速度跟踪效果更好，鲁棒性更强。
[0209] 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。
[0210] 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自适应滑模变结构控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 根据经典力学分析法和基于能量分析的Lagrange算法建立如下两轮自平衡机器人的 动力学方程：⑴ 并根据上述动力学方程设计出滑模变结构控制器； 其中，U为滑模变结构控制器的输出控制信号，0为两轮自平衡机器人的车体偏角，ev =为当前速度V和参考速度V亦速度差，a〇bpCl、山、a2、b2、c2、d2为两轮自平衡机器 人的模型参数； 采集传感信号并以此作为滑模变结构控制器的输入参数； 所述滑模变结构控制器根据其输入参数输出控制信号； 根据滑模变结构控制器输出控制信号，对系统进行平衡以及速度控制，以及利用转向 电位器信号，对系统进行转向控制，两者共同控制电机运动； 检测两轮自平衡机器人的当前速度信息并将其反馈至滑模变结构控制器的输入端，作 为滑模变结构控制器的输入参数之一。2. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，其特征在 于，所述滑模变结构控制器包括速度滑模变结构控制器和角度滑模变结构控制器，所述速 度滑模变结构控制器和所述角度滑模变结构控制器相互反馈，其反馈方程为：吣=0V，其 中，吣为速度滑模变结构控制器反馈给角度滑模变结构控制器的参量，V为当前速度，0为 常量，其值的范围值_〇. 15至0. 15之间； 所述的角度滑模变结构控制器的输出控制信号的输出方程为：其中，AT为采样时间， 所述速度滑模变结构控制器根据所述速度信息和所述角度滑模变结构控制器的输出 控制信号，输出所述反馈信息，其输出量U由以下方程决定： c：V-V=sat(st )(~|fl^| ~ | ~\b2U\-|/t,^ | ~ ^)； 在所述的角度滑模变结构控制器和所述速度滑模变结构控制器中，采用斜坡函数,其中，A称为边界层。3. 根据权利要求2所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，其特征在 于，所述的角度滑模变结构控制器采用基于函数逼近方式来进行自适应控制，其自适应项 为：九(/) = (^供(?1)，其中6=[<?1<1:< ;3"犬]7'，炉(,)=[的(〇於〇)灿)...奶,(,)]3"，冰)为拉盖尔基函 数。4. 根据权利要求2所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，其特征在 于，所述0值为_〇. 14。5. 根据权利要求1或2所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，其特征 在于，还包括对传感信号进行数据融合的步骤，所述传感信号包括通过陀螺仪采集的偏角 信息和通过加速度计采集的加速度信息，并通过卡尔曼滤波算法对所述偏角信息和所述加 速度信息进行数据融合。6. 根据权利要求1或2所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，其特征 在于，所述传感信号还包括调速手把的油门信号，所述油门信号与参考速度的关系符合以 下公式'=k. (VRH-17160)，其中，k为比例系数。7. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，其特征在 于，还包括负载检测的步骤，所述负载检测步骤中采用迟滞函数，通过设定阈值来判断是否 有负载。8. 根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，其特征在 于，bpCp山、a2、b2、c2、d2的值由以下公式确定：其中，=^~，（_ =Y，M为两轮自平衡机器人的质量，g为重力加速度，[为质心离 车轮中心的距离，J为自平衡机器人车体的转动惯量，t为参考速度，Kt为电机转矩常数， 为反电动势系数，艮为电机电枢两端电阻。9. 一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统，其特征在于，包括电源模块、陀 螺仪、加速度计、转向电位器、控制单元、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第一电机、 第二电机、第一编码器以及第二编码器，其中， 所述电源模块用于系统供电； 所述陀螺仪用于检测自平衡机器人车体偏角信息，并将该信息发送给所述控制单元； 所述加速度计用于检测自平衡机器人的加速度信息，并将该信息发送给所述控制单 元； 所述转向电位器用于检测自平衡机器人的转向信息，并将该信息发送给所述控制单 元； 所述第一编码器和所述第二编码器用于检测自平衡机器人的速度信息，并将该信息发 送给所述控制单元； 所述控制单元根据所述偏角信息、加速度信息、转向信息和速度信息计算出输出控制 信号，并发送给所述第一电机驱动模块和所述第二电机驱动模块； 所述第一电机驱动模块和所述第二电机驱动模块输出PWM驱动信号使所述第一电机 和所述第二电机转动。10. 根据权利要求9所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统，其特征在 于，所述控制单元包括卡尔曼数据融合模块、速度滑模变结构控制器和角度滑模变结构控 制器，其中， 所述卡尔曼数据融合模块用于将所述偏角信息和所述加速度信息进行数据融合，并将 融合信息发送给所述角度滑模变结构控制器； 所述角度滑模变结构控制器根据所述卡尔曼数据融合模块输出的融合信息和所述速 度滑模变结构控制器的反馈信息输出控制信号； 所述反馈信息由以下反馈方程确定： 吣=0V，其中，0 1^为速度滑模变结构控制器反馈给角度滑模变结构控制器的反馈信 息，V为当前速度，e为常量，其值的范围值-0. 15至0. 15之间； 所述角度滑模变结构控制器的输出控制信号由以下输出方程确定：々》/、)~一 + Y= 0b2，Z= 々",(>)为自适应项； 所述速度滑模变结构控制器根据所述速度信息和所述角度滑模变结 构控制器的输出控制信号，输出所述反馈信息，其输出量U由以下方程决定
【专利摘要】本发明公开了一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法及系统，根据经典力学分析法和基于能量分析的Lagrange算法建模如下两轮自平衡机器人的动力学方程并根据该动力学方程设计出滑模变结构控制器；滑模变结构控制器包括速度滑模变结构控制器和角度滑模变结构控制器，速度滑模变结构控制器和角度滑模变结构控制器相互反馈，其反馈方程为：θr＝βV；采用基于函数逼近方式对系统进行自适应控制。采用本发明的技术方案，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；同时由于系统的速度和角度存在相互反馈关系，当系统的倾角过大时，系统会自动降速，速度降低的同时，会自动回到平衡位置，在面对不同路面条件的情况下，系统能够自适应外部环境以及大范围负载的变化，从而保证系统的安全与稳定。
【IPC分类】G05B13/04, G05D1/02
【公开号】CN105116729
【申请号】CN201510506091
【发明人】陈龙, 张志辉, 满志红, 吴龙飞
【申请人】杭州电子科技大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月17日