電動獨輪車的模糊自適應控制論文
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(yōu)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(jié)構(gòu)和控制策略的研究越來越受到人們的關(guān)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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)的PD控制器來實現(xiàn)平衡控制，但是系統(tǒng)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(diào)節(jié)器(LQR)來實現(xiàn)獨輪車的穩(wěn)定，但僅實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)學模型為基礎(chǔ)，實現(xiàn)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(tài)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(tài)與被控對象之間的非線性關(guān)系，然后設(shè)計對被控對象參數(shù)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(wěn)態(tài)、動態(tài)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(tǒng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)的平衡。
1.2 數(shù)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(nèi)忽略摩擦、形變以及彈性等因素。
1.3 模糊控制器設(shè)計
電動獨輪車通過對電機的轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)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(tài)信息，通過濾波后輸入控制器。控制器輸出轉(zhuǎn)矩控制信號通過驅(qū)動板施加給電機，以此來實現(xiàn)獨輪車平衡運行。
2 實驗及結(jié)果分析
電動獨輪車的電機采用外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電機，其額定電壓為50 V，額定轉(zhuǎn)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(nèi)部區(qū)的鋰電池提供。主控制芯片采用 Cypress 公司的PSoC4。
3 結(jié)束語
騎行電動獨輪車是一個強非線性系統(tǒng)，不同的騎行環(huán)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(shè)計的自適應模糊PD控制器能較好地適應應用環(huán)境，保證騎行者的正常騎行，實驗結(jié)果驗證了控制器穩(wěn)態(tài)性能更好，而且具備更強的魯棒性。
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