[发明专利]两轮自平衡车平面点对点自主运动控制方法

说明书

本发明涉及一种两轮自平衡车平面点对点自主运动控制方法，包括原地转向控制和纵向直行控制两部分。所述原地转向控制，在保证两轮自平衡车原地直立的同时(原地直立是纵向直行的特例，可通过纵向直行控制方法实现)，采用转向PD控制器使两轮自平衡车原地旋转到与当前位置和目标位置连线重合的方向。所述纵向直行控制，首先在考虑两轮自平衡车运动耦合关系的基础上，为其规划一条纵向运动的参考加速度轨迹，然后，采用纵向PID控制器实现两轮自平衡车对所规划纵向参考轨迹的跟踪，同时采用转向PD控制器使转向角保持在恒定的参考值，从而使得两轮自平衡车在保证车身稳定的前提下，到达目标位置，实现平面点对点自主运动。

技术领域

本发明属于两轮自平衡车控制领域，具体而言是一种两轮自平衡车平面点对点自主运动控制方法。

背景技术

两轮自平衡车,由于其结构紧凑、运动灵活和能耗低等优点，使其在休闲娱乐、家居服务和未知环境探索等诸多方面具有重要的实际应用价值。同时，两轮自平衡车作为一种典型的欠驱动、非完整和强耦合的本质不稳定系统，其自主运动控制问题是一项极具挑战性的课题。

两轮自平衡车的自主运动控制主要包括上层轨迹规划和下层轨迹跟踪两个层面的问题。现有研究主要集中于下层轨迹跟踪，而对上层轨迹规划的研究较少。例如，发表在《第17届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集》上的论文“两轮自平衡小车的轨迹跟踪控制”，选取匀速直线轨迹作为参考轨迹，研究了一种分层滑模控制方法来实现小车的轨迹跟踪；发表在《计算机仿真》2017年第34卷、第1期上的论文“两轮自平衡车的最优滑模输出跟踪控制”，选取匀速圆轨迹为参考轨迹，并将滑模控制理论应用于最优跟踪控制，来实现对参考轨迹的良好跟踪。上述文献都是通过选取特定的时间函数曲线作为上层轨迹规划出的参考轨迹，难以满足两轮自平衡车的运动耦合关系，从而使得下层轨迹跟踪变得复杂而困难，进而影响了其自主运动控制的效果。

申请号为201210292959.8的中国专利，针对欠驱动桥式吊车，提出了一种将摆角消除环节与定位参考轨迹线性组合的在线轨迹规划方法，并采用PD控制器实现吊车对所规划轨迹的跟踪，不仅能够保证台车的精确定位，同时能够有效的消除负载的摆角与残余摆角。然而桥式吊车属于本质稳定的、作一维直线运动的欠驱动系统，相关方法难以用于本质不稳定的、作二维平面运动的两轮自平衡车系统。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种两轮自平衡车平面点对点自主运动控制方法，有效提高其自主运动控制效果。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种两轮自平衡车平面点对点自主运动控制方法，具体包括如下步骤：

第一步，原地转向。根据当前位置和目标位置信息确定参考转向角实时计算传感器测得的转向角和转向角速度与参考转向角和参考转向角速度(零)的偏差，采用转向PD控制器使电机产生转向扭矩τ_ω，进而使两轮自平衡车原地旋转到与当前位置和目标位置连线重合的方向。

在此过程中，保证车身直立。取下面第二步中式(1)的纵向运动参考轨迹，并令然后采用下面第二步中的纵向PID控制器控制车身直立。

第二步，纵向直行。首先在考虑两轮自平衡车运动耦合关系的基础上，为其规划一条纵向运动的参考加速度轨迹，其表达式为：

式中，η₁,η₂∈R⁺且η₂＞2J₂，J₂＝I₄/2+I₆/2+m_bL²/2，I₄为底盘绕轮轴的转动惯量，I₆为车身绕轮轴的转动惯量，m_b为车身质量,L为车身重心到轮轴的距离，g为重力加速度，θ(t)为两轮自平衡车的车身倾角，且满足如下运动耦合关系：