[发明专利]倒立摆系统的动态平衡控制方法及智能平衡车控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种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方法，应用于倒立摆控制技术领域，适用于将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，它适用于在狭小空间内运行，能够在大型购物中心、国际性会议或展览场所、体育场馆、高尔夫球场、机场、办公大楼、工业园区、大型公园及广场、生态旅游风景区、城市中的生活住宅小区等各种室内或室外场合中作为人们的代步工具。

背景技术

倒立摆的控制问题就是使摆杆尽快地达到一个平衡位置，但是倒立摆控制系统是一个复杂的、不稳定的、非线性系统，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，导致高质量稳定性的控制难度增加。

公开号为CN1952996A的发明专利公开了一种“两轮遥控小车倒立摆及其平衡控制方法”，该方法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。

公开号为CN101823485A的发明专利公开了“一种轮式倒立摆的传感器处理与平衡控制算法”，该方法虽然能提高倒立摆的工作的稳定性和可靠性，但更多是在保持倒立摆平衡的情况下，做了较多的保护措施，使得整个倒立摆系统在复杂的外部环境中运行的更加稳定可靠， 该发明采用通用的高通滤波器和低通滤波器进行信号的整理，减少了不必要成分频率的干扰，但采用通用滤波器的局限是，处理数据任意依赖通用器件的设备参数，不利于对自平衡车的平衡策略定制专门的算法策略，提高数据的精确度收到限制，直接影响到后续数据融合系统处理数据的精度，影响到倒立摆系统平衡控制的容错性、自适应性、联想记忆能力。该发明的控制器将融合的角度值和陀螺仪输出的角速度值，通过计算，得出轮子的输出加速度，然后将加速度输入到电机控制器，控制器执行加速度命令。轮子的输出加速度的信号融合算法是以车体偏转角度值和车体偏转的角速度为数据源，对多个传感器所获取的关于倒立摆系统对象和环境全面、完整信息方面有所欠缺，没有充分发挥出信号融合算法的优势，对多源数据进行检测、结合、相关、估计和组合所达到精确的状态估计不够理想，不能有效实现完整、及时的平衡态势评估。该发明仅仅给出针对两轮车自平衡策略，并未公开单轮平衡车的自平衡策略，也为其技术应用的广泛性带来不利影响。

常规倒立摆系统的动态平衡控制算法，虽然也能实现平衡车的自主平衡，但平台容易抖动，影响驾乘的舒适度，也存在安全隐患，这使得自平衡车在行驶过程中的动态平衡控制成为亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明主要针对技术存在的不足，提供了一种倒立摆系统的动态平衡控制方法，通过对倒立摆系统进行信息采集与处理、滤波处理、信号融合和数据融合技术，提高整车的平衡稳定性和可靠性，通过定制的动态平衡控制方法，减少由于自平衡车运动中产生刚性干涉形成微小扰动，提高基于倒立摆系统的智能平衡车的驾乘稳定性、安全性和舒适性，降低软硬件控制策略的实现成本。

本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：

一种倒立摆系统的动态平衡控制方法，其要点在于，包括以下步骤：

S1:通过检测一系列传感器的信息，初始化倒立摆系统；

S2:缓存对于倒立摆系统的上一时刻信息精确值数据；

S3:通过信息采集单元，获取对于倒立摆系统的当前时刻的各传感器的信息采样值；

S4:进行初步数据处理，得到对于倒立摆系统的当前时刻信息采样值，并将对于倒立摆系统的当前时刻的信息采样值输入滤波处理单元进行后续处理，如果采集过程未完成，则返回S2步骤；