[发明专利]一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法。

背景技术

近年来，随着移动机器人研究不断深入、应用领域更加广泛，所面临的环境和任务也越来越复杂。机器人经常会遇到一些比较狭窄，而且有很多大转角的工作场合，如何在这样比较复杂的环境中灵活快捷的执行任务，成为人们颇为关心的一个问题。两轮自平衡机器人概念就是在这样的背景下提出来的。两轮自平衡机器人技术是一种横跨多个学科的综合技术，其系统模型是一个相当复杂的非线性不稳定的动力学模型，并且两轮自平衡机器人系统结构特殊，适应地形变化能力强，运动灵活，可以胜任一些比较复杂环境里的工作，所以在控制理论和工程领域中备受关注，与它相关的理论知识包括:①物理体系结构的分析；②运动学分析与动力学模型的构建，包括动力学特性和欠驱动的分析；③模拟和仿真分析；④姿态检测技术和空间定位技术，包括克服惯性传感器的零点或温度漂移，滤波算法的设计和理论分析，多传感器数据融合技术等；⑤运动控制和平衡控制的理论与控制方法的研究。

要对两轮自平衡机器人系统进行仿真处理，首先需要知道系统的数学模型，而后才有可能对系统进行模拟，现有技术中两轮自平衡机器人的建模方式大多都是采用系统建模方式中经典力学分析法或基于能量分析的Lagrange方法的其中一种，单独采用经典力学分析法建模的后果是力学分析过程过于复杂；而单独采用基于能量分析的Lagrange方法时忽略了系统中能量的变化情况。同时现有技术两轮自平衡机器人的控制算法大多为PID控制算法、LQR控制算法、最优控制算法、模糊控制算法等，这些控制算法在两轮自平衡机器人这种非线性、自然不稳定系统难以达到满意的控制效果，鲁棒性不够好，响应速度不够快，面对较大的扰动时，系统不稳定，当外部路面条件变化的时候，不能自适应较复杂的外部环境以及大范围负载的变化，不能够自动检测负载的加入与否；在数据处理方式上不够智能；速度控制方式仅靠倾角的变化，方式过于单一；系统的抖振非常大。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的是一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，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；能够应对较大的外部扰动；能够自适应外部环境以及大范围负载的变化；能够自动检测负载的加入；系统中参数的值更加精确；速度控制方式多样化。

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的技术方案为：

一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制方法，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：

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，θ为两轮自平衡机器人的车体偏角，e_v＝V-V_r为当前速度V和参考速度V_r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；

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。

优选地，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：θ_r＝βV，其中，θ_r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，β为常量，其值的范围值-0.15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，ΔT为采样时间，Y＝βb₂，,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：