[发明专利]两轮单辙载具静态平衡控制系统和方法

说明书

本发明提供了一种两轮单辙载具静态平衡控制系统和方法。两轮单辙载具具有双SGCMG并列对称构型，所述两轮单辙载具静态平衡控制系统具有第一框架电机和第二框架以及与第一框架电机和第二框架分别对应的第一控制力矩陀螺和第二控制力矩陀螺，第一框架电机具有第一转子，第二框架具有第二转子；所述两轮单辙载具静态平衡控制系统包括框架去饱和与奇异回避控制器，其执行如下计算和控制：计算框架角度误差；基于框架角度误差计算用于实现框架去饱和与奇异回避的偏置角度；在角度环控制器的输入中加入偏置角度。

技术领域

本发明涉及交通工具领域，具体涉及一种两轮单辙载具静态平衡控制系统和方法。

背景技术

两轮单辙载具其系统类似于一个倒立摆系统，是一个复杂的非线性、强耦合、多变量的自然不稳定系统。其横向动力学特性较汽车来说更为复杂，特别是传统两轮单辙载具在静止时几乎无法靠自身稳定。而两轮单辙载具的自平衡的控制目前有通过转向控制，控制力矩陀螺控制和重心控制三种方法。

但是，目前研究的都是各自单一的控制方法。转向控制无法保证两轮单轨车辆在静态情况下的自平衡，而重心控制大多借助仿人机器人，其结构复杂，且实用性较差。目前来说对于两轮单辙载具的自平衡来说，大多数控制结构和算法其抗扰性差，控制程度有限，而且对于控制力矩陀螺(CMG，Control moment gyroscope)的控制算法较少，无法避免控制力矩陀螺的奇异和去饱和能力。

控制力矩陀螺CMG是角动量交换设备之一，可以产生较大的输出扭矩。它由电动转子和万向架组成。飞轮的旋转轴可以绕与其旋转轴(万向轴)垂直的轴变化。CMG和身体之间的角动量变化率取决于万向节速度。常用在航空航天领域，近年来随着控制力矩陀螺技术的成熟，也用于无人机，船舶的平衡等领域。而两轮车横向不稳定的非线性系统，使研究人员也将控制力矩陀螺技术运用在两轮车自平衡中。

两轮单辙载具目前来说能够实现自平衡的较少，大多数研究处于仿真和理论阶段。国内目前仅实现依靠控制力矩陀螺使两轮单辙载具，实现动态平衡。其扰动较大，稳定性较低。大多数运用LQR，或者结构简单的PID控制算法，这就使两轮单辙载具的平衡稳定性和控制力矩陀螺的奇异与去饱和无法兼顾。或者大多数控制算法，如鲁棒控制，模糊控制等等，其在计算机仿真即如果中可以到达理想的控制效果。但是仿真模型教现实模型来说其干扰性较少，而且其控制结构及算法阶数较高，算法的计算延迟性很难实际的运用在两轮单辙载具的实时平衡控制中。

总而言之，现有的两轮单辙载具其控制结构简单，载具的抗扰性较差，且在保证两轮单辙载具平衡的同时，很难保证控制力矩陀螺的奇异回避和去饱和能力。且很多控制方法计算得迟滞性很难运用在实际在两轮单辙载具的实时平衡控制中。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一种两轮单辙载具静态平衡控制系统和方法，其能够兼顾两轮单辙载具在平衡的同时，保证控制力矩陀螺的奇异回避和去饱和，提高两轮单辙载具的抗外部扰动能力。

根据本发明，提供了一种两轮单辙载具静态平衡控制系统，其中两轮单辙载具具有双SGCMG并列对称构型，所述两轮单辙载具静态平衡控制系统具有第一框架电机和第一框架电机对应的第一控制力矩陀螺，以及与第二框架电机和第二框架电机对应的第二控制力矩陀螺，第一框架电机具有第一转子，第二框架具有第二转子；所述两轮单辙载具静态平衡控制系统包括框架去饱和与奇异回避控制器，其执行如下计算和控制：根据第一框架电机和第二框架电机分别反馈的框架角度计算框架角度误差；基于框架角度误差计算用于实现框架去饱和与奇异回避的偏置角度；根据车体的平衡点角度、车体当前角度和偏置角度计算出偏置角度的角度误差并输入角度环控制器，以输出目标角速度至角速度环控制器。