電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)的模糊自適應(yīng)控制論文
0 引 言
相比于電動(dòng)自行車(chē)和摩托車(chē)，電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)具有體積小、重量輕，攜帶方便等很多優(yōu)點(diǎn)，將成為一種新型的短途出行的交通工具。針對(duì)騎行電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)本體結(jié)構(gòu)和控制策略的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。
獨(dú)輪車(chē)的控制主要分俯仰和橫滾平衡控制，如果獨(dú)輪車(chē)的橫滾平衡是由騎行者來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么載人的電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)的控制目標(biāo)就是通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)俯仰平衡。騎行者的身體前傾使車(chē)身前傾，為了保證人不摔倒，車(chē)輪需要向前滾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)俯仰平衡，同理騎行者身體后仰就需要車(chē)輪向后滾動(dòng)來(lái)保持平衡。為了實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車(chē)的俯仰平衡控制，學(xué)者們提出了不同的`控制方案。文獻(xiàn)[7]提出了傳統(tǒng)的PD控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡控制，但是系統(tǒng)的抗干擾能力較差;文獻(xiàn)提出了一種建模方法并通過(guò)線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車(chē)的穩(wěn)定，但僅實(shí)現(xiàn)車(chē)體本身的一種平衡控制，沒(méi)有考慮車(chē)體有不同負(fù)載時(shí)的運(yùn)行情況。文獻(xiàn)提出自適應(yīng)非線性控制器實(shí)現(xiàn)了載人獨(dú)輪車(chē)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(xué)模型為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也較為復(fù)雜。
為了簡(jiǎn)化控制模型并在實(shí)際騎行中得到較好的動(dòng)、靜態(tài)特性，本研究首先利用牛頓力學(xué)方法建立騎行電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)的動(dòng)力學(xué)模型，分析不同的騎行者的姿態(tài)與被控對(duì)象之間的非線性關(guān)系，然后設(shè)計(jì)對(duì)被控對(duì)象參數(shù)變化不敏感的自適應(yīng)模糊PD控制器，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證控制策略在提高騎行電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能以及魯棒性方面的有效性。
1 電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)控制模型
1.1 系統(tǒng)框架
騎行電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)外觀如圖1所示。獨(dú)輪車(chē)的主體為帶有控制電路板的外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷直流電機(jī)。當(dāng)騎行者通過(guò)前傾或后仰使車(chē)體前后傾斜時(shí)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)輸出合適的轉(zhuǎn)矩使車(chē)體滾動(dòng)，來(lái)保持騎行者以及車(chē)體的俯仰平衡。踏板跟車(chē)體硬性連接，踏板的角度直接反映了車(chē)體的傾斜程度，保持踏板水平也就保持了整個(gè)系統(tǒng)的平衡。
1.2 數(shù)學(xué)模型
由于實(shí)際的機(jī)械零件和運(yùn)動(dòng)過(guò)程比較復(fù)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(jì)
電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)通過(guò)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制實(shí)現(xiàn)最終的平衡運(yùn)行，其控制框圖如圖4所示。由陀螺儀和加速度計(jì)測(cè)量所得的獨(dú)輪車(chē)姿態(tài)信息，通過(guò)濾波后輸入控制器。控制器輸出轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)板施加給電機(jī)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)獨(dú)輪車(chē)平衡運(yùn)行。
2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)的電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子永磁無(wú)刷直流電機(jī)，其額定電壓為50 V，額定轉(zhuǎn)速360 r/min，額定功率350 W。實(shí)驗(yàn)時(shí)，50 V母線電壓由裝在獨(dú)輪車(chē)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(yǔ)
騎行電動(dòng)獨(dú)輪車(chē)是一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，不同的騎行環(huán)境和騎行者的使用方法對(duì)其平衡控制有較大的影響。
本研究設(shè)計(jì)的自適應(yīng)模糊PD控制器能較好地適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境，保證騎行者的正常騎行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了控制器穩(wěn)態(tài)性能更好，而且具備更強(qiáng)的魯棒性。
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