[发明专利]一种惯性轮自平衡方法

摘要

本发明公开了一种惯性轮自平衡方法，涉及自平衡技术领域，采用拉格朗日法建立惯性轮自平衡系统的数学模型，将惯性轮自平衡系统抽象为匀质的摆杆和转动连接在摆杆顶部的飞轮，飞轮通过电机驱动形成竖直平面内的反力矩；采用三串级PID控制模块实现对摆杆倾斜角度的控制，使摆杆的倾斜角度、倾斜角速度及飞轮的转速作为系统的反馈，以摆杆的倾斜角速度作为系统的内环，摆杆的倾斜角度作为系统的中间环，飞轮的转速作为系统的外环，对飞轮的转速进行控制；针对惯性轮自平衡机器人的高阶、多变量、非自稳特点，本发明惯性轮自平衡系统设计了三串级控制系统，由此提高了系统抗扰能力，加快了系统的自稳调节速度，实现系统的稳、准、快地控制目标。

主权项

1.一种惯性轮自平衡方法，其特征在于，采用三串级PID控制模块实现对摆杆倾斜角度的控制，所述三串级PID控制模块包括惯性轮转速环PID控制器、系统机体角度环PID控制器、系统机体角速度环PID控制器、电机和传感器；包括以下步骤:(Ⅰ)采用拉格朗日法建立惯性轮自平衡系统的物理模型，即，将惯性轮自平衡系统中除惯性轮以外的部分等效为匀质的摆杆，摆杆竖直放置且底部与支撑面转动连接，并将惯性轮等效为转动连接在摆杆顶部的飞轮，电机驱动飞轮转动形成竖直平面内的反力矩；(Ⅱ)通过传感器测量并计算得出摆杆倾斜角度的实际值θ_r、摆杆倾斜角速度的实际值及飞轮转速的实际值(Ⅲ)以设定的飞轮转速的期望值作为惯性轮转速环PID控制器的输入，以飞轮转速的实际值作为惯性轮转速环PID控制器的反馈输入，形成负反馈，并通过PID控制，使惯性轮转速环PID控制器输出摆杆倾斜角度的补偿值θ_c；(Ⅳ)以设定的摆杆倾斜角度的期望值θ_e作为系统机体角度环PID控制器的输入，以摆杆倾斜角度的实际值θ_r作为系统机体角度环PID控制器的反馈输入，以摆杆倾斜角度的补偿值θ_c作为系统机体角度环PID控制器的补偿输入，形成负反馈，并通过PID控制，使系统机体角度环PID控制器输出摆杆倾斜角速度的补偿值(Ⅴ)以摆杆倾斜角速度的实际值作为系统机体角速度环PID控制器的反馈输入，以摆杆倾斜角速度的补偿值作为系统机体角速度环PID控制器的补偿输入，形成负反馈，并通过PID控制，使系统机体角速度环PID控制器输出飞轮转速的控制值(Ⅵ)以飞轮转速的控制值作为控制量，控制电机的转速，并通过电机驱动飞轮转动来控制飞轮的转速，产生适合惯性轮自平衡系统稳定所需的转矩，使惯性轮自平衡系统保持平衡。