[发明专利]一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统

权利要求书

1.一种两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统，其特征在于，包括电源模块、陀螺仪、加速度计、转向电位器、控制单元、第一电机驱动模块、第二电机驱动模块、第一电机、第二电机、第一编码器以及第二编码器，其中，

所述电源模块用于系统供电；

所述陀螺仪用于检测自平衡机器人车体偏角信息，并将该信息发送给所述控制单元；

所述加速度计用于检测自平衡机器人的加速度信息，并将该信息发送给所述控制单元；

所述转向电位器用于检测自平衡机器人的转向信息，并将该信息发送给所述控制单元；

所述第一编码器和所述第二编码器用于检测自平衡机器人的速度信息，并将该信息发送给所述控制单元；

所述控制单元根据所述偏角信息、加速度信息、转向信息和速度信息计算出输出控制信号，并发送给所述第一电机驱动模块和所述第二电机驱动模块；

所述第一电机驱动模块和所述第二电机驱动模块输出PWM驱动信号使所述第一电机和所述第二电机转动；

所述控制单元包括卡尔曼数据融合模块、速度滑模变结构控制器和角度滑模变结构控制器，其中，

所述卡尔曼数据融合模块用于将所述偏角信息和所述加速度信息进行数据融合，并将融合信息发送给所述角度滑模变结构控制器；

所述角度滑模变结构控制器根据所述卡尔曼数据融合模块输出的融合信息和所述速度滑模变结构控制器的反馈信息输出控制信号；

所述反馈信息由以下反馈方程确定：

θ_r＝βV，其中，θ_r为速度滑模变结构控制器反馈给角度滑模变结构控制器的反馈信息，V为当前速度，β为常量，其值的范围值-0.15至0.15之间；

所述角度滑模变结构控制器的输出控制信号由以下输出方程确定：

其中ΔT为采样时间，Y＝βb₂，Z＝b₁-βc₂b₂，为自适应项；s₂为角度滑模变量，ε₂为系统角度误差常数项，λ₂为速度实常数项，sat(s₂)为斜坡函数，e_θ为角度误差，为车体偏角的一阶导数，为角度误差的一阶导数；

所述速度滑模变结构控制器根据所述速度信息和所述角度滑模变结构控制器的输出控制信号，输出所述反馈信息，其输出量U由以下方程决定其中，s₁为速度滑模变量，V_r为参考速度，为参考速度的一阶导数，e_v为速度误差，ε₁为系统速度误差常数，λ₁为角度实常数项；

所述速度滑模变结构控制器和角度滑模变结构控制器根据经典力学分析法和基于能量分析的Lagrange算法并建立如下两轮自平衡机器人的动力学方程(1)而设计出来：

其中，U为滑模变结构控制器的输出控制信号，θ为两轮自平衡机器人的车体偏角，e_v＝V-V_r为当前速度V和参考速度V_r的速度差，a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂为两轮自平衡机器人的模型参数。

2.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统，其特征在于，所述的角度滑模变结构控制器采用基于函数逼近方式来进行自适应控制，其自适应项为：其中为拉盖尔基函数，为正交函数族拉盖尔多项式各项的参数集合，为每项的系数，为拉盖尔基函数多项式。

3.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统，其特征在于，所述的角度滑模变结构控制器和所述速度滑模变结构控制器中，采用斜坡函数其中，Δ称为边界层。

4.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统，其特征在于，所述β值为-0.14。

5.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人自适应滑模变结构控制系统，其特征在于，a₁、b₁、c₁、d₁、a₂、b₂、c₂、d₂的值由以下公式确定：

其中，M为两轮自平衡机器人的质量，g为重力加速度，L为质心离车轮中心的距离，J为自平衡机器人车体的转动惯量，V_r为参考速度，K_t为电机转矩常数，K_e为反电动势系数，R_a为电机电枢两端电阻。