基于模糊滑模控制的兩輪自平衡小車系統(tǒng)設(shè)計

楊東澤 孫強 丁韜

摘要：在輪式機器人的領(lǐng)域內(nèi)，兩輪自平衡小車是其中一個非常重要的分支，小型化、簡單化是它最主要的優(yōu)點，一般工作在狹小和危險的空間內(nèi)。同時又是非線性、欠驅(qū)動、強禍合系統(tǒng)，適合作為各種控制算法研究和驗證的科學(xué)實驗平臺。本論文主要對兩輪自平衡小車的控制方法進(jìn)行研究，同時還在濾波器設(shè)計、軟件實現(xiàn)方面進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并進(jìn)行實驗驗證。

1.引言

兩輪自平衡車具有運動靈活、節(jié)能環(huán)保以及結(jié)構(gòu)和操作簡單等優(yōu)點，并且可以運行在各種復(fù)雜的環(huán)境中。無論是供游客在商場愉快購物，在小區(qū)公園提供市民游玩，還是給上班族提供便捷的交通工具，兩輪自平衡車都可以發(fā)揮獨特的優(yōu)勢。甚至應(yīng)用到軍事行動中，特種士兵可以駕駛兩輪平衡車完成一些特殊任務(wù)。由于兩輪自平衡車的車輪是在左右排列結(jié)構(gòu)，平衡車系統(tǒng)是一個典型的強耦合、欠驅(qū)動、非線性的非完整系統(tǒng)，且運行環(huán)境也相對復(fù)雜，要考慮外界不確定干擾，在行駛過程中可能會遇到路面凹凸不平，車輪打滑等情況，這些情況都會影響其運穩(wěn)定性。雖然兩輪自平衡車結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是系統(tǒng)的控制難度大且控制算法較復(fù)雜，很適合作為各種控制算法的研究平臺。因此，兩輪自平衡車不僅在市場中有很大的價值和前景，在驗證或檢驗控制算法和控制理論上更是一個很好的實驗平臺。由此可見，兩輪自平衡車的研究是具有很大的意義。

兩輪自平衡小車系統(tǒng)是一種多變量、非線性的系統(tǒng)，融合了感知環(huán)境、運動控制和執(zhí)行等多種功能。解決自平衡問題是兩輪自平衡小車函待解決的問題。兩輪自平衡小車的概念自從被提出之后，被世界各國科學(xué)家所重視。

2.工作原理

兩輪自平衡小車由左右共軸平行布置的兩車輪和車身組成，車輪由左右電機經(jīng)減速機構(gòu)驅(qū)動。通過加速度計和陀螺儀以及軟件編碼方法來反饋系統(tǒng)的狀態(tài)，通過預(yù)先設(shè)定的控制算法來實時調(diào)節(jié)車輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，維持車體動態(tài)自平衡，從而完成控制目的。

兩輪自平衡小車基本工作原理如圖1所示。其中加速度計和陀螺儀分別用來測量車身傾斜角和傾斜角速度。經(jīng)過AD采樣將角度信息和角速度信息由模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過濾波算法獲得和實際值比較接近的近似值，然后送入MCU進(jìn)行計算處理。計算結(jié)果通過H橋驅(qū)動電路驅(qū)動左右電機，電機通過減速機構(gòu)帶動左右輪前進(jìn)或者后退。同時通過軟件編碼的方法獲得小車車輪速度和位置的近似信號，返回給單片機實現(xiàn)左右輪的閉環(huán)控制。遙控器通過無線模塊可以實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向。

3.滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計及仿真

滑模變結(jié)構(gòu)控制最重要的特點是其控制不連續(xù)性。一般線性控制器是基于線性化模型建立的，雖然容易實現(xiàn)，但只能在平衡點附近有較好穩(wěn)定性。而兩輪自平衡小車本身是個非線性系統(tǒng)，且運動環(huán)境也較復(fù)雜，設(shè)計具有較強的魯棒性能的非線性控制器或智能控制器來控制小車，其系統(tǒng)性能會更好。滑模變結(jié)構(gòu)控制可按照系統(tǒng)運行狀態(tài)去調(diào)節(jié)最優(yōu)控制律，目的是讓系統(tǒng)能保持滑動模態(tài)運動，即在滑模面附近運動。因此本章采用基于指數(shù)趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制器對小車系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與仿真。

4.結(jié)論

兩輪自平衡小車作為一種多變量系統(tǒng)，是輪式移動機器人的一個非常重要分支，兩輪自平衡小車除了能夠適應(yīng)特定的環(huán)境之外，而且還能夠在一些復(fù)雜的環(huán)境下工作，能體現(xiàn)它良好的適應(yīng)性。具有很好的前景。控制算法是兩輪自平衡車的重中之重，也是本文中的主要研究工作。滑模控制可以對小車系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定平衡控制，但系統(tǒng)中會伴隨著抖動現(xiàn)象，影響系統(tǒng)精確控制，嚴(yán)重會造成系統(tǒng)的報壞。本文通過結(jié)合模糊控制的優(yōu)勢設(shè)計自適應(yīng)模糊滑模控制器可以削弱滑模控制存在的抖動，并且能夠有效的控制小車平衡。

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注.經(jīng)費支持：衢州學(xué)院實驗室開放項目（KFXM202007）