[发明专利]一种平衡车系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种平衡车系统及其控制方法，根据平衡车系统的姿态信号的差分方程模型和漂移误差模型，建立扩展卡尔曼滤波的状态方程以及永磁直线电机的数学模型；利用二阶动态Terminal滑膜对永磁同步电机进行驱动；运用粒子群算法对双电机系统中跟踪控制器，同步控制器、消隙控制器参数以及切换函数同时优化。本发明实现了对平衡车在传感器采集的信号存在较大的噪声和零位漂移误差；鲁棒性差；有刷电机的结构复杂、故障多、维护工作量大、寿命短、换向火花易产生电磁干扰，以及在平衡车运行过程中出现抖动、偏差过大、安全性低等问题的解决。

技术领域

本发明属于平衡车控制技术领域，具体涉及一种平衡车系统及其控制方法。

背景技术

两轮平衡车因其价格低廉、体积小、质量轻、便于移动与携带等特性，逐步走入了人们的生活之中。目前，平衡车的相关技术在不断更新，平衡系统控制更加灵活敏锐，人机交互系统趋向于细致化和人性化。但在驱动方式上，目前市场上主流的平衡车品牌采用的大多都是直流有刷电机，电能通过电刷和换向器进入电枢绕组而驱动电机。由于电刷和换向器的存在，有刷电机的结构复杂、故障多、维护工作量大、寿命短、换向火花易产生电磁干扰等特性，在一定程度上增加了生产成本和维修成本。传统的平衡车存在着续航能力不强，控制系统的精度不高，功能单一等缺点。

虽然目前市场上的平衡车产品种类繁多，但是大部分产品电机控制设计多有不足，传统的控制方法因本身的缺陷易于导致平衡事故的发生。PID控制，基于T_S模糊控制，自适应控制等都存在如下缺陷：控制变量电枢电压间接控制车身平衡，因此难以保证电动车的动态性能；传感器采集的信号存在较大的噪声和零位漂移误差；鲁棒性差，不适宜于非线性系统的应用。滑模控制设计简单、控制精度高，且滑动模态对系统的摄动和外部扰动具有完全鲁棒性，是解决非线性问题的重要方法。但普通滑模控制一般选取线性切换函数，虽然能保证系统稳定，但在理论上，系统状态(或误差)收敛到平衡原点需要无穷大的时间。受神经网络中吸引子概念的启发，Terminal滑模以非线性函数构建切换面，能在有限时间内收敛到平衡点。但同样存在抖振的问题，抖振严重影响滑模控制在工程中的应用和控制效果。饱和函数等方法去除抖振虽然有效，却会使控制性能变差。

综上所述，现有的平衡车驱动控制方法没有综合考虑到控制器对永磁同步电机各项性能的跟踪和监测，而在其实现过程中往往出现抖动、偏差过大、安全性低等问题。因此设计一种新型平衡车控制方法具有很大的实际工程价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种平衡车系统及其控制方法,基于卡尔曼滤波的二阶动态Terminal滑模和粒子群算法，在永磁同步电机基础上，在有限时间内收敛于平衡原点，消除抖振，提高了平衡车的稳定性和耐用性。

本发明采用以下技术方案：

一种平衡车系统，包括控制部分、传感器部分、人机交互部分、供电部分、主电路部分和上位机部分；控制部分采用微控制器，分别与传感器部分、人机交互部分、供电部分和主电路部分连接；上位机部分与人机交互部分连接，人机交互部分由供电部分提供电能；

传感器部分包括用于采集车身偏移的角速度的陀螺仪，用于采集车的加速度的加速度计，用于采集实际速度的速度传感器，用于采集操纵杆的方向角的转角传感器，用于检测路况的红外传感器，用于采集逆变器相关数据的电压和电流传感器；

人机交互部分包括用于显示车速信息、电量信息、电池温度信息及系统运行状态反馈的LCD显示屏，用于传输数据到手机APP和向控制器发送指令的无线蓝牙；用于和PC通讯的上位机通讯模块，用于电源开关控制，模式选择，信息查询的按键，以及用于提示车辆报警信息的LED灯和蜂鸣器；

供电部分包括用于电池充电和系统各部分的供电的充电模块和蓄电池；

主电路部分包括两台永磁同步电机以及能够驱动两台永磁同步电机的三相臂逆变器，用于实现电机的独立控制和协同运行；