[发明专利]一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车及其模型驱动的控制方法

权利要求书

1.一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，包括自行车、传感器模块、车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块；

所述传感器模块用于测量自行车变量，所述自行车变量包括自行车车把偏转角度α、自行车车体偏转角度β、自行车后轮转动角度

所述车把控制模块位于自行车车把，通过重心调节机构调节车把的重心，实现车把偏转角度α的调节；

所述车体中部控制模块位于自行车车体中部，通过重心调节机构调节车体中部的重心；

所述车体后部控制模块位于自行车后部，通过重心调节机构调节车体后部的重心，通过旋转轮机构进行自行车后部的平衡控制和后轮旋转控制；通过后轮旋转控制实现自行车后轮转动角度的调节；

所述车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块各自的重心调节机构和车体后部控制模块的平衡控制，共同实现自行车车体偏转角度β的调节；

所述自平衡无人驾驶自行车在工作状态下需要由分别分布在三处的车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块三个模块相互配合和调节，以实现该自行车的自平衡；

以车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的控制变量为输入，以自行车变量为输出，结合自行车已知常量，建立自行车物理模型；

所述无人驾驶自行车物理模型为：

其中，m₁为前轮、后轮的质量，m₂为车架的质量，m₃为车把控制模块的重心调节机构为滑杆机构时，滑块配重的质量，m₄为车体中部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，偏心轮配重的质量，m₅为车体后部控制模块的重心调节机构为偏心轮时，偏心轮配重的质量，m₆为车体后部控制模块的旋转轮机构为互相垂直的两个旋转轮时，两个旋转轮的总质量，r为前轮、后轮的半径，r₁为车体中部偏心轮的半径，r₂为车体后部偏心轮的半径，h₂为车架质心的高度，h₃为车把滑块配重的高度，h₄为车体中部偏心轮配重的高度，h₅为车体后部偏心轮配重的高度，h₆为车体后部两个旋转轮的重心高度，b为车把到前轮转动轴线的间距；

以自行车物理模型的输出与期望的自行车变量为控制器的输入，以车把控制模块、车体中部控制模块和车体后部控制模块的控制变量为控制器的输出，建立控制器，不断修正期望的自行车变量与实际采集的自行车变量之间的偏差，实现无人驾驶自行车的平衡控制；根据目标运动状态，选择期望的自行车变量，实现自行车的无人驾驶控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车把控制模块的重心调节机构为横向放置于车把上的滑杆机构，车把控制模块通过调节车把滑杆机构的滑块位置进行车把重心的调节。

3.根据权利要求1所述的一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车体中部控制模块的重心调节机构为偏心轮，车体中部控制模块通过调节偏心轮旋转角度进行车体中部重心的调节。

4.根据权利要求1所述的一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车体后部控制模块的重心调节机构为偏心轮，车体后部控制模块通过调节偏心轮旋转角度进行车体后部重心的调节。

5.根据权利要求1所述的一种基于模型的自平衡无人驾驶自行车，其特征在于，所述车体后部控制模块的旋转轮机构为互相垂直的两个旋转轮：水平旋转轮、竖直旋转轮，竖直旋转轮与水平旋转轮相切，且与自行车后轮平行；车体后部控制模块通过调节两个旋转轮的转速进行自行车后部的平衡控制和后轮旋转控制。