[发明专利]自主平衡行驶自行车机械动力系统及其多刚体动力学模型

权利要求书

1.一种自主平衡行驶自行车机械动力系统，包括：机械系统、电气控制系统，所述机械系统包括车体、后轮、前叉和前轮，所述车体下部设有控制箱；所述电气控制系统包括工控机、直流电源，所述工控机设置在控制箱内，其特征在于：还包括前叉与车体连接处设有前叉尾迹调整装置和用于车体倾角检测的电子陀螺仪，所述电子陀螺仪设置在控制箱内通过串口与工控机连接；后轮设有行驶驱动的直流后轮伺服电机和后轮驱动装置，前轮设有方向调整的前叉电机和前轮驱动装置，后轮驱动伺服电机驱动器、前叉驱动伺服电机驱动器通过总线与工控机连接；所述电子陀螺仪用于将检测的车体倾角信息反馈到工控机，所述前叉伺服驱动电机通过伺服驱动器将前叉转角θ信息反馈到工控机，所述工控机将接收的信息经运算得到控制信号，并通过运动控制器输出到后轮、前叉伺服电机驱动器改变自主平衡行驶自行车的车速和方向。

2.根据权利要求1所述的自主平衡行驶自行车机械动力系统，其特征在于：所述前叉尾迹调整装置包括：前叉、前叉滑槽、旋转轴和旋转轴基座，所述旋转轴基座一端连接在车体上、另一端与前叉滑槽后面的连接块经旋转轴连接，前叉由前叉电机带动在前叉滑槽内上下滑动，前叉滑槽绕旋转轴旋转。

3.根据权利要求2所述的自主平衡行驶自行车机械动力系统，其特征在于：所述前叉滑槽绕旋转轴旋转形成前叉倾角λ，前叉尾迹c；前叉沿滑槽上下滑动改变前叉质心距离地面的高度h′。

4.根据权利要求3所述的自主平衡行驶自行车机械动力系统，其特征在于：所述前叉倾角λ的调整范围为0°—45°，前叉尾迹c的调整范围为0—30mm。

5.一种根据权利要求1所述自主平衡行驶自行车机械动力系统的多刚体动力学模型的实现方法，其特征在于：该多刚体为车体、前叉、后轮、前轮四个刚体组成，并分别将车体序号定义为υ＝1、后轮序号定义为υ＝2、前叉序号定义为υ＝3、前轮序号定义为υ＝4，该模型由以下步骤实现：

步骤一：坐标系P₁x′y′z′为地面上的不动系参考，P₁在坐标系Oxyz中的坐标为(x,y,z)，那么自行车系统的位形为约束条件是接触点P₁、P₂速度为零，其中x、y、z分别为自行车后轮与地面接触点P₁在坐标系Oxyz中的坐标，为车体倾角、θ为前叉转角、ψ₁为后轮旋转的角度、ψ₂为前轮旋转的角度；当自行车当前状态为向左倾斜，前叉向左旋转时；计算自行车各组成部分内的角速度运动矢量；

步骤二：给定力与惯性力分析；总共有4个刚体，计算整个系统的总功率

其中W_υ，W′_υ分别是第υ个刚体的给定力功率和惯性力功率，W为给定力功率总和，W′为惯性力功率总和；

步骤三：根据Kane公式

W＝W′

得到自行车多刚体动力学模型为：

其中，

J＝2(m₁h²+m₂r²+m₃h′²+m₄r²)，D＝(m₁h+m₂r+m₃h′+m₄r)，

N＝2m₃h′b+3m₄rb+2m₁ha，m₁、m₂、m₃、m₄分别为车体、后轮、前叉、前轮的质量，车体质心距地面高度为h，前叉质心距地面高度为h′，前轮、后轮为均质圆盘，车轮半径为r，λ为前叉与竖直方向之间的夹角，c为自行车前叉尾迹，b为自行车前、后轮之间的跨距，a为车体质心到后轮与地面接触点之间的距离，d为前叉质心到后轮与地面接触点之间的距离，V为自行车行驶速度，g为重力加速度；

首先，取广义坐标令为控制量，其中，为车体倾角的角速度、为前叉转角的角速度，为前叉转角的角加速度，根据所述多刚体动力学模型，构建系统的状态空间模型

其中，A、B、C分别为系统的系数矩阵，由自主平衡行驶自行车硬件结构确定，引入最优性能指标：

设计反馈控制u＝-Kx，Q、R分别为权矩阵，使得上述指标达到最小，反馈增益K为：

K＝R^-1B^TP

其中，P为下述Riccati方程PA+A^TP-PBR^-1B^TP+C^TQC＝0的解；

其次，在全状态反馈的基础上，串联了一个基于速度函数的比例控制

k_v＝f(v)＝αV^-β

其中，α、β分别为大于0的常数，α＝2.914，β＝1.215，

可得串级反馈控制为U＝-k_vKx。