一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107368081A(43)申请公布日2017.11.21(21)申请号201710790443.9(22)申请日2015.08.17(62)分案原申请数据201510506091.02015.08.17(71)申请人杭州电子科技大学地址310018浙江省杭州市下沙高教园区(72)发明人陈龙张志辉满志红吴龙飞(74)专利代理机构北京中政联科专利代理事务所(普通合伙)11489代理人姚海波(51)Int.Cl.G05D1/02(2006.01)权利要求书2页说明书14页附图13页(54)发明名称一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统(57)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。CN107368081ACN107368081A权利要求书1/2页1.一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；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：θr＝βV，其中，θr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，β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：其中ΔT为采样时间，Y＝βb2，Z＝b1-βc2b2，为自适应项；s2为角度滑模变量，ε2为系统角度误差常数项，λ2为速度实常数项，sat(s2)为斜坡函数，eθ为角度误差，为车体偏角的一阶导数，为角度误差的一阶导数；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由以下方程决定其中，s1为速度滑模变量，Vr为参考速度，为参考速度的一阶导数，ev为速度误差，ε1为系统速度误差常数，λ1为角度实常数项。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系统，其特征在于，所述速度滑模变结构控制器和角度滑模变结构控制器根据经典力学分析法和基于能量分析的Lagrange算法并建立如下两轮自平衡机器人的动力学方程(1)而设计出来：2CN107368081A权利要求书2/2页其中，U为滑模变结构控制器的输出控制信号，θ为两轮自平衡机器人的车体偏角，ev＝V-Vr为当前速度V和参考速度Vr的速度差，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2为两轮自平衡机器人的模型参数。3.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系统，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：其中为拉盖尔基函数，为正交函数族拉盖尔多项式各项的参数集合，为每项的系数，为拉盖尔基函数多项式。4.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系统，其特征在于，所述的角度滑模变结构控制器