[发明专利]一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车及其模型驱动的控制方法

说明书

本发明公开了一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车及其模型驱动的控制方法，该自平衡无人驾驶自行车包括自行车、传感器模块、车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块。该控制方法包括自平衡控制和无人驾驶控制两部分。自平衡控制基于自行车模型驱动，通过机理构建模型进行控制器设计，从而实现自行车的自平衡。无人驾驶控制根据目标运动状态，选择期望的自行车变量，实现自行车的无人驾驶。本发明的无人驾驶自行车通过耦合的控制方法可以在多种运动状态下具有自平衡功能，同时采用的是间接驱动的方法，并不需要对普通自行车进行进一步的改装，只需要将三个控制器模块安装在普通自行车上，就可以实现自行车的自平衡和无人驾驶。

技术领域

本发明涉及交通领域，具体涉及一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车及其模型驱动的控制方法。

背景技术

自行车作为一种传统的交通工具，具有车体窄小、机构简单、能作小半径回转、方便灵活、无污染、无噪声、无需能源、售价低廉等优势，在道路拥挤、空气污染、油价上涨等问题日益严重的现代人生活中有着举足轻重的地位。而无人驾驶自行车不仅能够针对一些特殊人群如儿童、老人提供驾驶平衡辅助，更是有望在灾难救援、森林作业中得到广泛应用。

随着人们对智能交通工具和无人驾驶技术的关注度持续提高，无人驾驶自行车或者说自行车机器人在这一智能交通工具概念的基础上有了初步的发展。目前，无人驾驶自行车的研究大部分研究学者都是围绕动力学建模和提出新的控制算法这两方面进行的，对其研究大都停留在理论探讨和初步试验的阶段。由于自行车复杂的动力学特征和一定的侧向不稳定性，自行车的自平衡仍存在很多棘手问题，如何解决静止或低速行驶下自行车的自平衡问题是无人驾驶自行车突破当前发展限制的关键。

现有的应用于摩托车或电动自行车的平衡系统本质上是独轮车平衡系统(即倒立摆平衡系统)和两足平衡系统的叠加。而自行车的前把具有高度的自由度，且两轮没有直接驱动力。所以，在摩托车或电动自行车上导致其平衡的驱动力在自行车上是不存在的，其平衡方法在自行车上无效，这为自行车的自平衡和无人驾驶带来了更多难度。

目前已经有了一些自行车模型的相关研究，但是由于还没有人考虑出来如何搭配相应的控制器进行平衡控制，所以目前还没有关于自行车加多个平衡控制器的机理模型的研究。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车及其模型驱动的控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车，包括自行车、传感器模块、车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块；所述车把控制模块、车体中部控制模块、车体后部控制模块根据传感器模块提供的信息进行模块各机构的控制，从而进行自行车平衡和行进的间接控制；所述车把控制模块、车体中部控制模块、车体后部控制模块的各机构控制变量是相互耦合的；

所述传感器模块用于测量自行车变量，所述自行车变量包括自行车车把偏转角度α、自行车车体偏转角度β、自行车后轮转动角度

所述车把控制模块位于自行车车把，通过重心调节机构调节车把的重心，实现车把偏转角度α的调节；

所述车体中部控制模块位于自行车车体中部，通过重心调节机构调节车体中部的重心；

所述车体后部控制模块位于自行车后部，通过重心调节机构调节车体后部的重心，通过旋转轮机构进行自行车后部的平衡控制和后轮旋转控制；通过后轮旋转控制实现自行车后轮转动角度的调节；

所述车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块各自的重心调节机构和车体后部控制模块的平衡控制，共同实现自行车车体偏转角度β的调节；

以车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的控制变量为输入，以自行车变量为输出，建立自行车物理模型；