本發(fā)明涉及無人自行車技術(shù)，特別是一種基于速率陀螺儀的無人自行車平衡控制方法。

背景技術(shù)：

自20世紀(jì)60年代移動(dòng)機(jī)器人誕生以來，研究人員一直夢(mèng)想研究無人智能交通工具，作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，無人自行車排除了人為不確定因素的影響，不僅可以提高駕駛安全性，而且可以解決交通擁堵，提高能源利用率，百度曾宣布開發(fā)復(fù)雜人工智能無人自行車，該產(chǎn)品是具備環(huán)境感知、規(guī)劃和自平衡控制等復(fù)雜人工智能的無人自行車，主要集合了百度在人工智能、深度學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)的成就，然而對(duì)技術(shù)細(xì)節(jié)沒有任何披露。目前大多采用采用覆蓋面廣、成本低，且針對(duì)性強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)干預(yù)服務(wù)系統(tǒng)，對(duì)無人自行車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行符合實(shí)際情況的干預(yù)，有望解決自行車直立等問題。

無人自行車是一個(gè)典型的不穩(wěn)定系統(tǒng)，是以自行車為基礎(chǔ)，再配以轉(zhuǎn)動(dòng)手把和驅(qū)動(dòng)后輪的執(zhí)行裝置構(gòu)成，為了實(shí)現(xiàn)騎行過程中無人自行車的穩(wěn)定平衡，采用擬人控制策略，根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)向傾倒方向同向上轉(zhuǎn)動(dòng)車把，使得車傾倒的重力分力轉(zhuǎn)用于車體作為曲線運(yùn)動(dòng)的向心力，避免車體傾倒，而騎車人調(diào)節(jié)自身的重心作用，可以輔助起到將車體從傾倒的方向糾正回平衡點(diǎn)處的作用自行車與倒立擺相似,然而前者動(dòng)力學(xué)特性更加復(fù)雜,是研究非線性控制\智能控制等控制方法理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),理論上具有重大的意義。并且目前大多數(shù)自行車車體平衡控制器的設(shè)計(jì)是在車速不變的條件下進(jìn)行的，而自行車的動(dòng)力學(xué)行為與速度有非常大的關(guān)系，因此，需要根據(jù)速度的變化結(jié)合速率陀螺儀的使用優(yōu)化無人自行車的平衡控制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的一方面在于提供一種基于速率陀螺儀的無人自行車平衡控制方法，包括如下步驟：

(1)建立無人自行車的平衡系統(tǒng)模型；

(2)設(shè)計(jì)直立姿態(tài)平衡控制器；

(3)根據(jù)偏移傳感器采集到的偏移信號(hào)，經(jīng)過控制算法運(yùn)算得到控制力矩后提供給速率陀螺儀框架，從而在自行車車架上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的恢復(fù)力矩。

優(yōu)選的，所述步驟(1)中的平衡系統(tǒng)模型建立之前，需要作如下假設(shè)：自行車包含前輪、后輪、車體和前叉四個(gè)剛體，車輪足夠細(xì)，與地面僅有一個(gè)接觸點(diǎn)，車輪在滾動(dòng)過程中沒有相對(duì)滑動(dòng)以及系統(tǒng)所有角度都是小量。

優(yōu)選的，所述步驟(1)中的所述速率陀螺儀由一個(gè)直流齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在自行車框架上產(chǎn)生一個(gè)精確力矩，該力矩通過速率陀螺儀和支流電機(jī)的機(jī)械和電學(xué)特性推導(dǎo)，采用拉格朗日方法獲得自行車和速率陀螺儀的運(yùn)動(dòng)方程：

θ軸和β軸方向上的力矩和分別為：

直流齒輪電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，mb表示自行車相對(duì)于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mg表示陀螺儀的質(zhì)量，hg表示自行車質(zhì)心的垂直高度，ib表示自行車相對(duì)于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mg表示速率陀螺儀的質(zhì)量，hg表示陀螺儀質(zhì)心的垂直高度，ip表示相對(duì)于質(zhì)心的極慣性矩，ir表示相對(duì)于質(zhì)心的徑向力矩，ω表示速率陀螺儀的質(zhì)量，rm表示直流電機(jī)阻抗，lm表示直流電機(jī)的感抗，bm表示電機(jī)摩擦，km表示力矩電壓常量，θ表示自行車傾角，β表示陀螺儀框架角，i表示直流電機(jī)電流，v表示直流電機(jī)電壓。

優(yōu)選的，所述步驟(2)將模糊輸出反饋系統(tǒng)的思想與常規(guī)的線性控制理論相結(jié)合，并結(jié)合陀螺儀的使用實(shí)現(xiàn)了車速發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)的平衡控制。

優(yōu)選的，所述步驟(2)根據(jù)如下模糊狀態(tài)空間模型的基本思想定義“速度”v作為語言變量，將自行車動(dòng)力學(xué)模型分為多個(gè)模糊子空間集合，對(duì)于每個(gè)模糊子空間系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性用一個(gè)局部線性狀態(tài)方程描述，整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性為局部線性模型的加權(quán)和，整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)則為各個(gè)子系統(tǒng)局部反饋控制的加權(quán)和，將語言變量“速度”賦予多個(gè)語言值，根據(jù)日常生活中的經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)語言值用一個(gè)三角形隸屬度函數(shù)來描述后，采用一組模糊蘊(yùn)含條件句描述系統(tǒng)的模糊反饋模型：

優(yōu)選的，所述步驟(2)采用單值模糊器和重心解模糊器得到整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程，所述整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程與第i條規(guī)則歸一化后的適用度相關(guān)。

優(yōu)選的，所述步驟(2)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的模糊動(dòng)態(tài)模型及控制規(guī)律，可以得到整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的模糊狀態(tài)方程。

優(yōu)選的，所述步驟(3)根據(jù)偏移傳感器采集到的偏移信號(hào)，經(jīng)過控制算法運(yùn)算得到控制力矩后提供給速率陀螺儀框架，從而在自行車車架上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的恢復(fù)力矩包括：確定車把調(diào)節(jié)性質(zhì)和確定車把的調(diào)節(jié)量?jī)蓚€(gè)步驟。

優(yōu)選的，所述確定車把調(diào)節(jié)性質(zhì)的步驟通過單片機(jī)的通用接口通訊通過讀引腳確定接口電平確定車把調(diào)節(jié)性質(zhì)，通過通訊接口傳達(dá)控制車把的電機(jī)正反轉(zhuǎn)或者保持電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的信息。

優(yōu)選的，所述確定車把的調(diào)節(jié)量的步驟包括采用單片機(jī)將速率陀螺儀繞其被穩(wěn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣得到的高電平時(shí)間長(zhǎng)度與給定值做差得到偏差值，對(duì)偏差之進(jìn)行積分獲得無人自行車?yán)@穩(wěn)定軸所轉(zhuǎn)過的角度，從而確定車把的調(diào)節(jié)量。

采用本發(fā)明的方法，能夠有效控制無人駕駛自行車的直立平衡。

根據(jù)下文結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點(diǎn)和特征。

附圖說明

后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細(xì)描述本發(fā)明的一些具體實(shí)施例。附圖中相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示了相同或類似的部件或部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。本發(fā)明的目標(biāo)及特征考慮到如下結(jié)合附圖的描述將更加明顯，附圖中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于速率陀螺儀的無人自行車平衡控制方法的流程圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于速率陀螺儀的無人自行車平衡控制系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖1如下詳細(xì)說明一種基于速率陀螺儀的無人自行車平衡控制方法，包括如下步驟：

(1)建立無人自行車的平衡系統(tǒng)模型；

(2)設(shè)計(jì)直立姿態(tài)平衡控制器，并構(gòu)建隸屬度函數(shù)；

(3)根據(jù)偏移傳感器采集到的偏移信號(hào)，經(jīng)過控制算法運(yùn)算得到控制力矩后提供給速率陀螺儀框架，從而在自行車車架上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的恢復(fù)力矩。

其中，步驟(1)具體實(shí)施過程中根據(jù)一個(gè)定理：質(zhì)點(diǎn)系相對(duì)于動(dòng)點(diǎn)地動(dòng)量矩對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)等于外力系對(duì)該點(diǎn)的主矩與加在質(zhì)心上的牽引慣性力的合力對(duì)該點(diǎn)之矩的矢量和，根據(jù)上述定理，對(duì)于組成自行車系統(tǒng)的每一個(gè)剛體部分，分別進(jìn)行當(dāng)量方程的運(yùn)算。因此，步驟(1)中的平衡系統(tǒng)模型建立之前，需要作如下假設(shè)：自行車包含前輪、后輪、車體和前叉四個(gè)剛體，車輪足夠細(xì)，與地面僅有一個(gè)接觸點(diǎn)，車輪在滾動(dòng)過程中沒有相對(duì)滑動(dòng)以及系統(tǒng)所有角度都是小量。速率陀螺儀由一個(gè)直流齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在自行車框架上產(chǎn)生一個(gè)精確力矩，該力矩通過速率陀螺儀和支流電機(jī)的機(jī)械和電學(xué)特性推導(dǎo)，采用拉格朗日方法獲得自行車和速率陀螺儀的運(yùn)動(dòng)方程：

θ軸和β軸方向上的力矩和分別為：

直流齒輪電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，mb表示自行車相對(duì)于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mg表示陀螺儀的質(zhì)量，hg表示自行車質(zhì)心的垂直高度，ib表示自行車相對(duì)于軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，mg表示速率陀螺儀的質(zhì)量，hg表示陀螺儀質(zhì)心的垂直高度，ip表示相對(duì)于質(zhì)心的極慣性矩，ir表示相對(duì)于質(zhì)心的徑向力矩，ω表示速率陀螺儀的質(zhì)量，rm表示直流電機(jī)阻抗，lm表示直流電機(jī)的感抗，bm表示電機(jī)摩擦，km表示力矩電壓常量，θ表示自行車傾角，β表示陀螺儀框架角，i表示直流電機(jī)電流，v表示直流電機(jī)電壓

其中，在控制器設(shè)計(jì)方面，自行車的動(dòng)力學(xué)特性與速度有著非常密切的聯(lián)系，一般的控制器很難在各種不同的速度下都達(dá)到良好的控制效果，需要將模糊輸出反饋系統(tǒng)的思想與常規(guī)的線性控制理論相結(jié)合，并結(jié)合陀螺儀的使用實(shí)現(xiàn)了車速發(fā)生變化時(shí)系統(tǒng)的平衡控制。

首先，根據(jù)如下模糊狀態(tài)空間模型的基本思想定義“速度”v作為語言變量，這種思想在于，將自行車動(dòng)力學(xué)模型分為5個(gè)模糊子空間集合，對(duì)于每個(gè)模糊子空間系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性用一個(gè)局部線性狀態(tài)方程描述，整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性是局部線性模型的加權(quán)和，v范圍在[0，25m/s]，即論域u＝[0，25]，模糊集合t(速度)＝{很慢，慢速，中速，快速，很快}，因此，語言變量“速度”具有5個(gè)語言值，根據(jù)日常生活中的經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)語言值用一個(gè)三角形隸屬度函數(shù)來描述，其表達(dá)式如下：

式中，i＝1,2,...,5；，mⁱ表示模糊反饋集合t中的第i個(gè)元素的隸屬度函數(shù)，采用一組模糊蘊(yùn)含條件句描述系統(tǒng)的模糊反饋模型：

如果v是mⁱ，則x＝aix+bu(5)

其中，ai＝a(vi)，vi是mⁱ的隸屬度函數(shù)值為1時(shí)對(duì)應(yīng)的速度值，mⁱ(x)表示x屬于mⁱ的隸屬度函數(shù)，同時(shí)也表示第i條規(guī)則的適用度。

采用單值模糊器和重心解模糊器，從而得到整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

式中，其中，μi(x)表示第i條規(guī)則歸一化后的適用度。

從而模糊控制器可以表示為如下的模糊模型：

如果x(t)是mⁱ，則：

u(t)＝-lix(t)(9)，

式中，i＝1,2,...,5，

整個(gè)系統(tǒng)的控制規(guī)則為各個(gè)子系統(tǒng)局部反饋控制的加權(quán)和，即：

結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的模糊動(dòng)態(tài)模型及控制規(guī)律，可以得到整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的模糊狀態(tài)方程：

采用李亞普諾夫方法，找到合適的li從而保證整個(gè)系統(tǒng)是閉環(huán)穩(wěn)定的。

參見附圖2，步驟(3)根據(jù)偏移傳感器采集到的偏移信號(hào)，經(jīng)過控制算法運(yùn)算得到控制力矩后提供給速率陀螺儀框架，從而在自行車車架上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的恢復(fù)力矩。該步驟分為通過單片機(jī)的通用接口通訊通過讀引腳確定接口電平確定車把調(diào)節(jié)性質(zhì)，通過通訊接口傳達(dá)控制車把的電機(jī)正反轉(zhuǎn)或者保持電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的信息，并且采用單片機(jī)將速率陀螺儀繞其被穩(wěn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，將采樣得到的高電平時(shí)間長(zhǎng)度與給定值做差得到偏差值，對(duì)偏差之進(jìn)行積分獲得無人自行車?yán)@穩(wěn)定軸所轉(zhuǎn)過的角度，從而確定車把的調(diào)節(jié)量。

由于計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，因此需要對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行變換采用離散求和代替幾分，然后進(jìn)行遞推，采用單片機(jī)對(duì)速率陀螺儀的使能脈沖和輸出的pwm信號(hào)進(jìn)行整形，將單片機(jī)外部中斷0為下降沿觸發(fā)模式，用于輸入經(jīng)過整形的pwm信號(hào)，將單片機(jī)外部中斷1為上升沿出發(fā)模式，用于輸入經(jīng)過整型的反向的pwm信號(hào)。

雖然本發(fā)明已經(jīng)參考特定的說明性實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是不會(huì)受到這些實(shí)施例的限定而僅僅受到附加權(quán)利要求的限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解可以在不偏離本發(fā)明的保護(hù)范圍和精神的情況下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例能夠進(jìn)行改動(dòng)和修改。