[发明专利]自主平衡行驶自行车机械动力系统及其多刚体动力学模型

说明书

本发明涉及一种自主平衡行驶自行车机械动力系统及其多刚体动力学模型，该机械动力系统包括：机械系统、电气控制系统，机械系统包括车体、后轮、前叉和前轮；电气控制系统包括工控机、直流电源和电子陀螺仪，前叉与车体连接处设有前叉尾迹调整装置，后轮设有伺服驱动电机，前轮设有方向调整伺服驱动电机，分别与通过总线与工控机连接；采用Kane法建立了自主平衡行驶自行车的多刚体动力学模型。本发明的有益效果是：为自主平衡行驶自行车的结构、参数优化和控制系统设计提供了可靠的理论依据；依靠多刚体动力学模型建立了自主平衡行驶自行车状态空间模型，基于速度函数的串级最优控制算法实现自行车自主平衡行驶。

技术领域

本发明涉及动力自行车领域，特别是涉及一种自主平衡行驶自行车机械动力系统及其多刚体动力学模型。

背景技术

自行车出现已经有一百多年的历史了，其平衡问题一直是人们研究的热点。自行车的自主控制(无人驾驶)问题也是一个典型的欠驱动控制问题。国内外有很多科研单位或者机构对自行车无人驾驶技术进行了很多探索，并取得了一定成果，但是对自行车动力系统的认知及其控制技术上还存在许多尚待解决的问题，本发明对自主平衡行驶自行车多刚体建模和自主控制的研究，不但解决了双轮机器人平衡控制的难题，还可以为工程中类似问题提供有效的解决方案和思路，应用前景广阔，具有重要的社会意义和较高的经济价值。

自行车是一个非完整、非线性多刚体动力系统，其自平衡控制问题涉及多刚体系统建模、系统分析、参数优化与辨识、算法设计等，同时自行车自主平衡行驶又涉及智能导航、图像处理、视觉等问题，因此，自行车自主平衡行驶是一个集智能控制、智能导航、大数据分析的一个综合体。目前，对自行车自主控制技术尚未见较成熟的理论成果和实验成果，其亟待解决的问题有：自行车多刚体动力学精确建模，机械系统直线行驶算法优化；自主平衡行驶自行车的静态平衡控制，等等。其中精确建模是实现自行车自主平衡行驶的关键，是结构优化和设计控制算法的基础。

本发明采用Kane法建立了自行车自主控制系统精确的动力学模型，为系统分析提供了理论依据；在建立了精确模型的基础上，本发明采用最优控制实现了自行车自主平衡行驶。自行车自主平衡行驶技术的成熟与应用必将对人类未来的交通提供更好的思路。

发明内容

本发明的目的在于建立了自主平衡行驶自行车机械动力系统精确动力学模型，为系统分析、关键结构设计提供了理论依据，并依靠精确模型建立了自主平衡行驶自行车状态空间模型，设计了基于速度函数的串级最优控制算法实现了自行车自主平衡行驶。

本发明第一目的提供了一种能够实现自行车的自主平衡行驶自行车机械动力系统。

本发明的第二目的是提供一种对自行车结构参数进行优化的自主平衡行驶自行车机械动力系统的多刚体动力学模型

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种自主平衡行驶自行车机械动力系统，包括：机械系统、电气控制系统，所述机械系统包括车体、后轮、前叉和前轮，所述车体下部设有控制箱；所述电气控制系统包括工控机、直流电源，所述工控机设置在控制箱内，其特征在于：还包括前叉与车体连接处设有前叉尾迹调整装置和用于车身倾角检测的电子陀螺仪，所述电子陀螺仪设置在控制箱内通过串口与工控机连接；后轮设有行驶驱动的直流后轮伺服电机和后轮驱动装置，前轮设有方向调整的前叉伺服电机和前轮驱动装置，后轮驱动伺服电机驱动器、前叉驱动伺服电机驱动器与通过总线与工控机连接；所述电子陀螺仪用于将检测的车体倾角信息反馈到工控机，所述前叉伺服驱动电机通过伺服驱动器将前叉转角θ信息反馈到工控机，所述工控机将接收的信息经运算得到控制信号，并通过运动控制器输出到后轮、前叉伺服电机驱动器改变自主平衡行驶自行车的车速和方向。

所述前叉尾迹调整装置包括：前叉滑槽、旋转轴和旋转轴基座，所述旋转轴基座一端连接在车体上、另一端与前叉滑槽后面的连接块经旋转轴连接，前叉由前叉电机带动在前叉滑槽内上下滑动，前叉滑槽绕旋转轴旋转。

所述前叉和滑槽绕旋转轴旋转形成前叉倾角λ，前叉尾迹c；前叉沿滑槽上下滑动改变前叉质心距离地面的高度h′。