電動獨輪車的模糊自適應控制論文

2021-04-28 論文

　　0 引言

　　相比于電動自行車和摩托車，電動獨輪車具有體積小、重量輕，攜帶方便等很多優點，將成為一種新型的短途出行的交通工具。針對騎行電動獨輪車本體結構和控制策略的研究越來越受到人們的關注。

　　獨輪車的控制主要分俯仰和橫滾平衡控制，如果獨輪車的橫滾平衡是由騎行者來實現，那么載人的電動獨輪車的控制目標就是通過對電機的控制實現俯仰平衡。騎行者的身體前傾使車身前傾，為了保證人不摔倒，車輪需要向前滾動來實現俯仰平衡，同理騎行者身體后仰就需要車輪向后滾動來保持平衡。為了實現獨輪車的俯仰平衡控制，學者們提出了不同的控制方案。文獻[7]提出了傳統的PD控制器來實現平衡控制，但是系統的抗干擾能力較差;文獻提出了一種建模方法并通過線性二次型調節器(LQR)來實現獨輪車的穩定，但僅實現車體本身的一種平衡控制，沒有考慮車體有不同負載時的運行情況。文獻提出自適應非線性控制器實現了載人獨輪車的平衡控制并獲得了良好的'騎行性能，但是控制策略以精確的數學模型為基礎，實現起來也較為復雜。

　　為了簡化控制模型并在實際騎行中得到較好的動、靜態特性，本研究首先利用牛頓力學方法建立騎行電動獨輪車的動力學模型，分析不同的騎行者的姿態與被控對象之間的非線性關系，然后設計對被控對象參數變化不敏感的自適應模糊PD控制器，最后通過實驗驗證控制策略在提高騎行電動獨輪車的穩態、動態性能以及魯棒性方面的有效性。

　　1 電動獨輪車控制模型

　　1.1 系統框架

　　騎行電動獨輪車外觀如圖1所示。獨輪車的主體為帶有控制電路板的外轉子永磁無刷直流電機。當騎行者通過前傾或后仰使車體前后傾斜時，永磁無刷直流電機輸出合適的轉矩使車體滾動，來保持騎行者以及車體的俯仰平衡。踏板跟車體硬性連接，踏板的角度直接反映了車體的傾斜程度，保持踏板水平也就保持了整個系統的平衡。

　　1.2 數學模型

　　由于實際的機械零件和運動過程比較復雜，一般需要在允許的范圍內忽略摩擦、形變以及彈性等因素。

　　1.3 模糊控制器設計

　　電動獨輪車通過對電機的轉矩控制實現最終的平衡運行，其控制框圖如圖4所示。由陀螺儀和加速度計測量所得的獨輪車姿態信息，通過濾波后輸入控制器。控制器輸出轉矩控制信號通過驅動板施加給電機，以此來實現獨輪車平衡運行。

　　2 實驗及結果分析

　　電動獨輪車的電機采用外轉子永磁無刷直流電機，其額定電壓為50 V，額定轉速360 r/min，額定功率350 W。實驗時，50 V母線電壓由裝在獨輪車內部區的鋰電池提供。主控制芯片采用 Cypress 公司的PSoC4。

　　3 結束語

　　騎行電動獨輪車是一個強非線性系統，不同的騎行環境和騎行者的使用方法對其平衡控制有較大的影響。

　　本研究設計的自適應模糊PD控制器能較好地適應應用環境，保證騎行者的正常騎行，實驗結果驗證了控制器穩態性能更好，而且具備更強的魯棒性。