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電動獨(dú)輪車的模糊自適應(yīng)控制論文

時間:2021-04-28 08:32:59 論文 我要投稿

電動獨(dú)輪車的模糊自適應(yīng)控制論文

  0 引 言

電動獨(dú)輪車的模糊自適應(yīng)控制論文

  相比于電動自行車和摩托車,電動獨(dú)輪車具有體積小、重量輕,攜帶方便等很多優(yōu)點(diǎn),將成為一種新型的短途出行的交通工具。針對騎行電動獨(dú)輪車本體結(jié)構(gòu)和控制策略的研究越來越受到人們的關(guān)注。

  獨(dú)輪車的控制主要分俯仰和橫滾平衡控制,如果獨(dú)輪車的橫滾平衡是由騎行者來實現(xiàn),那么載人的電動獨(dú)輪車的控制目標(biāo)就是通過對電機(jī)的控制實現(xiàn)俯仰平衡。騎行者的身體前傾使車身前傾,為了保證人不摔倒,車輪需要向前滾動來實現(xiàn)俯仰平衡,同理騎行者身體后仰就需要車輪向后滾動來保持平衡。為了實現(xiàn)獨(dú)輪車的俯仰平衡控制,學(xué)者們提出了不同的`控制方案。文獻(xiàn)[7]提出了傳統(tǒng)的PD控制器來實現(xiàn)平衡控制,但是系統(tǒng)的抗干擾能力較差;文獻(xiàn)提出了一種建模方法并通過線性二次型調(diào)節(jié)器(LQR)來實現(xiàn)獨(dú)輪車的穩(wěn)定,但僅實現(xiàn)車體本身的一種平衡控制,沒有考慮車體有不同負(fù)載時的運(yùn)行情況。文獻(xiàn)提出自適應(yīng)非線性控制器實現(xiàn)了載人獨(dú)輪車的平衡控制并獲得了良好的騎行性能,但是控制策略以精確的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),實現(xiàn)起來也較為復(fù)雜。

  為了簡化控制模型并在實際騎行中得到較好的動、靜態(tài)特性,本研究首先利用牛頓力學(xué)方法建立騎行電動獨(dú)輪車的動力學(xué)模型,分析不同的騎行者的姿態(tài)與被控對象之間的非線性關(guān)系,然后設(shè)計對被控對象參數(shù)變化不敏感的自適應(yīng)模糊PD控制器,最后通過實驗驗證控制策略在提高騎行電動獨(dú)輪車的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能以及魯棒性方面的有效性。

  1 電動獨(dú)輪車控制模型

  1.1 系統(tǒng)框架

  騎行電動獨(dú)輪車外觀如圖1所示。獨(dú)輪車的主體為帶有控制電路板的外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電機(jī)。當(dāng)騎行者通過前傾或后仰使車體前后傾斜時,永磁無刷直流電機(jī)輸出合適的轉(zhuǎn)矩使車體滾動,來保持騎行者以及車體的俯仰平衡。踏板跟車體硬性連接,踏板的角度直接反映了車體的傾斜程度,保持踏板水平也就保持了整個系統(tǒng)的平衡。

  1.2 數(shù)學(xué)模型

  由于實際的機(jī)械零件和運(yùn)動過程比較復(fù)雜,一般需要在允許的范圍內(nèi)忽略摩擦、形變以及彈性等因素。

  1.3 模糊控制器設(shè)計

  電動獨(dú)輪車通過對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制實現(xiàn)最終的平衡運(yùn)行,其控制框圖如圖4所示。由陀螺儀和加速度計測量所得的獨(dú)輪車姿態(tài)信息,通過濾波后輸入控制器。控制器輸出轉(zhuǎn)矩控制信號通過驅(qū)動板施加給電機(jī),以此來實現(xiàn)獨(dú)輪車平衡運(yùn)行。

  2 實驗及結(jié)果分析

  電動獨(dú)輪車的電機(jī)采用外轉(zhuǎn)子永磁無刷直流電機(jī),其額定電壓為50 V,額定轉(zhuǎn)速360 r/min,額定功率350 W。實驗時,50 V母線電壓由裝在獨(dú)輪車內(nèi)部區(qū)的鋰電池提供。主控制芯片采用 Cypress 公司的PSoC4。

  3 結(jié)束語

  騎行電動獨(dú)輪車是一個強(qiáng)非線性系統(tǒng),不同的騎行環(huán)境和騎行者的使用方法對其平衡控制有較大的影響。

  本研究設(shè)計的自適應(yīng)模糊PD控制器能較好地適應(yīng)應(yīng)用環(huán)境,保證騎行者的正常騎行,實驗結(jié)果驗證了控制器穩(wěn)態(tài)性能更好,而且具備更強(qiáng)的魯棒性。

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