[发明专利]一种自平衡两轮车的运动控制方法

说明书

技术领域

 本发明涉及自动控制技术领域，尤其是涉及一种自平衡两轮车的运动控制方法。

背景技术

倒立摆是一种复杂的、非线性的、不稳定的系统，它是现代控制理论及应用的典型科研或教学装置。由于不规则地面情况，轮子的负载有较大变化，因此，现有倒立摆的运动范围都受到很大限制，控制量不能加得太大，否则就会超出其限制，使得一些算法在这些倒立摆系统上无法实现，将不能有效地对车体的平衡进行控制。因此，本发明提出了直接对车体的加速度进行控制的方法。

现有的技术很少提及传感器的融合方法及对车体在控制策略上的保护上，由于自平衡两轮车本身就是一个不稳定系统，实际应用中，不可避免地要遇到一些意外。

发明内容

本发明是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种自平衡两轮车的运动控制方法，保证两轮车的可控性及舒适性。

为实现上述目的，本发明公开了一种自平衡两轮车的运动控制方法，包括以下步骤：

（1）在两轮车上固定有陀螺仪传感器和加速度传感器，陀螺仪传感器采集两轮车上角速度信号，加速度传感器采集两轮车上对应加速度信号；

（2）陀螺仪传感器的输出的陀螺仪角速度值与加速度传感器的输出的轮子加速度通过两轮车控制系统内部模/数转换器读取后转化为数字量，将所得数据经kalman滤波器进行处理计算出输出的融合角度值；

（3）所述两轮车控制系统内部设置有加速度PID控制器，两轮车控制系统利用传感器输出的融合角度值及陀螺仪传感器输出的陀螺仪角速度值计算出轮子的输出加速度，所述加速度PID控制器利用PID模糊控制参数表将轮子的输出加速度进行微调；

（4）所述两轮车控制系统内部设置有速度PID控制器，所述两轮车控制系统采集到两轮车的当前输出速度，所述两轮车控制系统利用当前输出速度配合轮子的输出加速度得到两轮车的目标速度，所述速度PID控制器进行PID算法调节将当前输出速度控制在目标速度。

进一步地，所述陀螺仪传感器及加速度传感器所采集的数据计算出融合角度值的公式是：

fused_angle=(1-kg)*(fused_angle+                                               anglerate*dt)+kg*A* arcsin(acc)

其中fused_angle为融合角度值的输出，anglerate为陀螺仪的输出，acc为加

速度传感器的输出，A为系统参数， A* arcsin(acc)为倒立摆偏转角，kg为通

过kalman滤波器计算出的调整因子；

进一步地，所述目标速度与当前输出速度之差得到偏差速度，所述速度PID控制器将得到的偏差速度进行PID算法调节；

进一步地，所述轮子的输出加速度的计算公式：

acc_speed=P*fused_angle +I* fused_angle*dt+D*anglerate

其中fused_angle为融合角度值的输出，anglerate为陀螺仪的输出，acc_speed为轮子的输出加速度；

进一步地，所述PID模糊控制参数表的参数P、参数I、参数D取值范围为4～50；

进一步地，所述传感器输出的融合角度值及陀螺仪传感器输出的陀螺仪角速度值将两轮车的运动状态分为4个象限，所述PID模糊控制参数表的参数P、参数I、参数D在两轮车车体处于第一象限和第三象限时的设定值要求与两轮车车体处于第二象限和第四象限时的设定值要求不同。

综上所述，本发明一种自平衡两轮车的运动控制方法通过kalman滤波器将陀螺仪传感器的输出的陀螺仪角速度值与加速度传感器的输出的轮子加速度进行数据处理得到传感器输出的融合角度值，两轮车控制系统利用所述传感器输出的融合角度值和陀螺仪角速度值计算出轮子的输出加速度，加速度PID控制器利用PID模糊控制参数表将轮子的输出加速度进行微调以保证两轮车的可控性及舒适性，同时两轮车控制系统采集到两轮车的当前输出速度并配合轮子的输出加速度得到两轮车的目标速度，经过PID算法调节让当前输出速度快速达到目标速度从而实现两轮车的平稳运行。

附图说明

图1为本发明一种自平衡两轮车的运动控制方法原理框图。

图2为图1所示自平衡两轮车前倾运动示意图。

图3为图1所示自平衡两轮车后仰运动示意图。

图4为图1所示自平衡两轮车传感器输出的融合角度值及陀螺仪传感器输出的陀螺仪角速度值组合而成的坐标系图。