[发明专利]针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统

说明书

本发明公开了针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统，包括：针对电动平衡车，建立动力学方程；使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；根据虚拟控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；获取待控制电动平衡车当前时刻的摆角，并得到当前时刻的转矩；根据设计的有限时间自适应跟踪控制器和当前时刻的转矩，得到输出摆角，使得平衡车的摆角复位，实现对电动平衡车的控制从而达到平衡驾驶。不仅能确保系统状态变量在有限的时间内快速收敛到平衡，而且还能提高系统的鲁棒性并且减少近似误差的影响。

技术领域

本发明涉及非线性系统控制技术领域，特别是涉及针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提到了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

纯反馈非线性系统是具有非仿射特性的一类较严格反馈非线性系统更一般的下三角型非线性系统，在实际应用中广泛存在，比如机械系统，化学系统和飞行器系统等。同时，由于系统的非仿射结构，使得适合于严格反馈非线性系统的控制器设计方法很难直接用于纯反馈非线性系统控制。在过去的几十年的研究中，已针对严格反馈非线性系统报道了许多自适应反推设计方案，而对于纯反馈非线性系统的有限时间控制的研究还不够全面，无法达到本发明期望的结果。在最近几年来，有限时间自适应控制方案已经开发。但是大部分学者提出的有限时间控制策略是仅适用于严格反馈系统，而不适用于纯反馈系统。也有部分学者开始研究纯反馈系统的有限时间跟踪控制，但是都是基于利用微分中值定理将系统从纯反馈形式转换为严格反馈形式，然后采用模糊逻辑系统对未知函数进行建模。

为了简化纯反馈系统的设计控制输入，以前的研究中常使用差分中值定理来处理未知的非仿射非线性函数。这要求本发明对非仿射函数的偏导数必须进行限制性假设。不幸的是，众所周知，非光滑非线性存在于广泛的实际控制系统中，这导致非仿射函数的不可微性。然而，非仿射函数必须是可微的这一假设对于实际系统而言过于严格，以致于无法在实际应用中轻松获得。

当前关于非线性系统的结果已经有渐近稳定的研究，但是与渐近稳定不同，有限时间稳定可以确保系统状态变量在有限的时间内迅速收敛到平衡。显然，有限时间控制方案将使系统具有更好的瞬态响应。从理论上讲，非有限时间控制策略可以保证系统输出的性能。然而，在实际工程中，控制目标有望达到在有限的时间内实现。无限时间控制方案无法完成这样的控制目标，因为它们导致长瞬态响应。

电动平衡车，又叫体感车、思维车、摄位车等。其运作原理主要是建立一种非线性系统动态稳定。利用车体内部的陀螺仪和加速度传感器，来检测车体姿态的变化，并利用伺服控制，精确地驱动电机进行相应的调整，以保持系统的平衡。两轮电动平衡车采用两个轮子支撑，蓄电池供电，无刷电机驱动，加上单片机控制，姿态传感器采集角速度和角度信号，共同协调控制车体的平衡，仅仅依靠人体重心的改变便可以实现车辆的启动、加速、减速、停止等动作。电动平衡车的小巧方便，代步环保等特点使其在控制领域成为一个热点话题。

发明人发现，现有的电动平衡车的平衡控制方面不够精准，不能快速准确的实现电动平衡车的平衡角度恢复。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法及系统；考虑一类具有死区输入以及外部干扰的纯反馈非线性系统。设计了一种基于解耦技术的有限时间自适应控制方法，使系统具有较好的瞬态响应。

第一方面，本发明提供了针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法；

针对电动平衡车的有限时间跟踪控制方法，包括：

针对电动平衡车，建立动力学方程；

使用解耦方式对动力学方程的未知非线性函数进行处理，得到虚拟控制器和自适应律；

根据虚拟控制器和自适应律，确定有限时间自适应跟踪控制器；