基于模糊滑?？刂频膬奢喿云胶庑≤囅到y(tǒng)設(shè)計(jì)

楊東澤 孫強(qiáng) 丁韜

摘要：在輪式機(jī)器人的領(lǐng)域內(nèi)，兩輪自平衡小車是其中一個(gè)非常重要的分支，小型化、簡(jiǎn)單化是它最主要的優(yōu)點(diǎn)，一般工作在狹小和危險(xiǎn)的空間內(nèi)。同時(shí)又是非線性、欠驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)禍合系統(tǒng)，適合作為各種控制算法研究和驗(yàn)證的科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本論文主要對(duì)兩輪自平衡小車的控制方法進(jìn)行研究，同時(shí)還在濾波器設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.引言

兩輪自平衡車具有運(yùn)動(dòng)靈活、節(jié)能環(huán)保以及結(jié)構(gòu)和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，并且可以運(yùn)行在各種復(fù)雜的環(huán)境中。無論是供游客在商場(chǎng)愉快購物，在小區(qū)公園提供市民游玩，還是給上班族提供便捷的交通工具，兩輪自平衡車都可以發(fā)揮獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。甚至應(yīng)用到軍事行動(dòng)中，特種士兵可以駕駛兩輪平衡車完成一些特殊任務(wù)。由于兩輪自平衡車的車輪是在左右排列結(jié)構(gòu)，平衡車系統(tǒng)是一個(gè)典型的強(qiáng)耦合、欠驅(qū)動(dòng)、非線性的非完整系統(tǒng)，且運(yùn)行環(huán)境也相對(duì)復(fù)雜，要考慮外界不確定干擾，在行駛過程中可能會(huì)遇到路面凹凸不平，車輪打滑等情況，這些情況都會(huì)影響其運(yùn)穩(wěn)定性。雖然兩輪自平衡車結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是系統(tǒng)的控制難度大且控制算法較復(fù)雜，很適合作為各種控制算法的研究平臺(tái)。因此，兩輪自平衡車不僅在市場(chǎng)中有很大的價(jià)值和前景，在驗(yàn)證或檢驗(yàn)控制算法和控制理論上更是一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。由此可見，兩輪自平衡車的研究是具有很大的意義。

兩輪自平衡小車系統(tǒng)是一種多變量、非線性的系統(tǒng)，融合了感知環(huán)境、運(yùn)動(dòng)控制和執(zhí)行等多種功能。解決自平衡問題是兩輪自平衡小車函待解決的問題。兩輪自平衡小車的概念自從被提出之后，被世界各國科學(xué)家所重視。

2.工作原理

兩輪自平衡小車由左右共軸平行布置的兩車輪和車身組成，車輪由左右電機(jī)經(jīng)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。通過加速度計(jì)和陀螺儀以及軟件編碼方法來反饋系統(tǒng)的狀態(tài)，通過預(yù)先設(shè)定的控制算法來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，維持車體動(dòng)態(tài)自平衡，從而完成控制目的。

兩輪自平衡小車基本工作原理如圖1所示。其中加速度計(jì)和陀螺儀分別用來測(cè)量車身傾斜角和傾斜角速度。經(jīng)過AD采樣將角度信息和角速度信息由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過濾波算法獲得和實(shí)際值比較接近的近似值，然后送入MCU進(jìn)行計(jì)算處理。計(jì)算結(jié)果通過H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)左右電機(jī)，電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)帶動(dòng)左右輪前進(jìn)或者后退。同時(shí)通過軟件編碼的方法獲得小車車輪速度和位置的近似信號(hào)，返回給單片機(jī)實(shí)現(xiàn)左右輪的閉環(huán)控制。遙控器通過無線模塊可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。

3.滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)及仿真

滑模變結(jié)構(gòu)控制最重要的特點(diǎn)是其控制不連續(xù)性。一般線性控制器是基于線性化模型建立的，雖然容易實(shí)現(xiàn)，但只能在平衡點(diǎn)附近有較好穩(wěn)定性。而兩輪自平衡小車本身是個(gè)非線性系統(tǒng)，且運(yùn)動(dòng)環(huán)境也較復(fù)雜，設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的魯棒性能的非線性控制器或智能控制器來控制小車，其系統(tǒng)性能會(huì)更好?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制可按照系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)去調(diào)節(jié)最優(yōu)控制律，目的是讓系統(tǒng)能保持滑動(dòng)模態(tài)運(yùn)動(dòng)，即在滑模面附近運(yùn)動(dòng)。因此本章采用基于指數(shù)趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)小車系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。

4.結(jié)論

兩輪自平衡小車作為一種多變量系統(tǒng)，是輪式移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)非常重要分支，兩輪自平衡小車除了能夠適應(yīng)特定的環(huán)境之外，而且還能夠在一些復(fù)雜的環(huán)境下工作，能體現(xiàn)它良好的適應(yīng)性。具有很好的前景。控制算法是兩輪自平衡車的重中之重，也是本文中的主要研究工作?；？刂瓶梢詫?duì)小車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定平衡控制，但系統(tǒng)中會(huì)伴隨著抖動(dòng)現(xiàn)象，影響系統(tǒng)精確控制，嚴(yán)重會(huì)造成系統(tǒng)的報(bào)壞。本文通過結(jié)合模糊控制的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)自適應(yīng)模糊滑模控制器可以削弱滑?？刂拼嬖诘亩秳?dòng)，并且能夠有效的控制小車平衡。

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注.經(jīng)費(fèi)支持：衢州學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開放項(xiàng)目（KFXM202007）