[发明专利]运动型倒立摆系统控制的信号处理方法及智能自平衡车信号控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种移动机器人自动控制系统及其控制方法，尤其是涉及一种车辆的自主平衡控制系统和控制信号的处理方法，应用于倒立摆控制技术领域，适用于进行控制策略应用及开展各种控制实验平台，尤其适合应用于机器人辅助载人代步装置的控制领域，特别是适用于自平衡车，包括两轮车、单轮车、大轮车或小轮车，适用于环保出行、人类运输、室外健身、沙滩冲浪、便利助行、个性出行、警用巡逻、军队机动、移动摄像摄影、移动观摩、快速到达、小件运送、娱乐休闲、仪式仪仗、登临星球代步运输、星球表面探测和科学实验等智能设备的主动控制和自主机动技术领域，适用于广场、机场、高尔夫球场、会议展览中心、工业园区、高档社区、运动场馆、公园、城市林荫步道、非机动车道和地外星球表面等路面环境的交通工具智能控制使用。

背景技术

倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，并且使之没有大的振荡和过大的角度和速度。当摆杆到达期望的位置后，系统能克服随机扰动而保持稳定的位置。试验中应用的倒立摆通常为减少了影响因子，而抽象成为简单直线倒立摆和简单旋转倒立摆，这样使问题的研究实现了科学简化，为倒立摆系统在现实中应用于装置之中提供了条件，但倒立摆毕竟是一个复杂系统，尤其处于移动状态的倒立摆系统，其稳定性有关的信号控制更加繁复和不稳定。

现有的运动型倒立摆系统的平衡控制还存在问题：直线倒立摆只能沿着固定的轨道内移动，旋转倒立摆只能做固定原点的圆弧运动，这些倒立摆装置都需要加设限位装置及保护电路模块，增加了平衡控制算法的复杂程度，倒立摆系统移动的范围主要局限于固定的导轨或水平面范围内，与实际的生活中应用和工程应用不相符合，只能在实验室应用于科学实验和教学，很难走进人们的生活和工作中。

现有倒立摆的运动行程是有限制的，摆杆与电机轴间存在传动机构或悬臂，因而增加了控制的约束条件，使得一些算法在这些倒立摆系统上无法实现。两轮车倒立摆系统控制的实现非常困难，它除了保留以往倒立摆有关的稳定性、非线性和不确定性方面的研究内容外，还能增加许多用于保证高质量稳定性的控制难度。公开号为CN1952996A的发明专利申请公开了一种“两轮遥控小车倒立摆及其平衡控制方法”，该发明将两直流电机对称固定在车体上，电机轴的一端与轮子固接，轴的另一端与码盘轴相连；在两轮轴线中部位置安装陀螺仪并固接摆杆；控制器、遥控接收器、电源转换模块、电机驱动器焊接在电路板上；电路板和直流电源固定在车身上；其平衡控制方法包括自动判断零位电压，校正其漂移，对测量噪声进行滤波。该发明虽然避免了传统倒立摆因机械传动故障、或传动间隙可能引起的误差所造成的控制失败，可在地面及斜坡上前后左右行走和遥控，但是主要还是用于教学和科研，用于检验各种控制算法的优劣。该发明虽然公开了一种能保持稳定、自由行走且可遥控的两轮遥控小车倒立摆及其平衡控制方法，对采集信号采用了经过滤波处理，对摆杆静止时的噪声还是摆杆运动时的噪声均有很好的抑制作用，但对于多传感器系统来说，信息具有多样性和复杂性，在现实中应用的两轮自平衡代步车不仅需要满足自身的平衡，还要承载使用者的体重，由于驾车人在平衡车上的中心始终处于变化状态，对平衡车的倒立摆系统的平衡产生很多干扰，加之路面情况复杂，外界环境影响系统带来噪声，很多倒立摆系统外来因素对系统的影响无法得到补偿，影响到倒立摆系统控制的容错性、平衡自适应性、智能联想记忆能力，不能有效适应现实的需要。该发明的平衡算法的控制输出仍然是轮子的转矩，由于不规则地面情况下，轮子的负载有较大变化，因此，单独控制轮子的转矩，将不能有效地对车体的平衡进行控制。