CN106041934B - 一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，包括以下步骤：通过传感器测量模块采集自平衡机器人运动参数；在主控芯片中设置滑模自适应控制器，该滑模自适应控制器根据实时输入的角度参量θ和角速度控制输出电压U从而驱动电机系统运动；所述滑模自适应控制器的输出方程为：U＝‑(K+φ)X。采用本发明的技术方案，所使用的方法能够对外界环境进行自适应同时能够最大程度降低外界环境中各种干扰对两轮自平衡机器人的影响并且不损失鲁棒性，同时本发明还会利用机器学习的方法对一些长期积累因素进行磨合使两轮自平衡机器人具有最优的性能，从而保证了安全性与稳定性。

Description

一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法

技术领域

本发明涉及两轮自平衡机器人控制领域，尤其涉及一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法。

背景技术

两轮自平衡机器人是一种利用传感器感知自身状态，然后通过控制算法控制马达转动，从而实现自平衡。近年来，随着两轮自平衡机器人技术不断完善以及成本不断降低，逐渐成为更多人接受的代步工具，使两轮自平衡机器人开始从实验研究阶段转变为大众型的代步工具，其所面临的环境和任务也越来越复杂。

目前市场上有各种类型的平衡机器人，大多使用PID控制算法，该算法通过采集两轮自平衡机器人当前角度并计算与目标角度的偏差，在将这个偏差进行比例、积分、微分运算计算出马达控制量从而实现两轮自平衡机器人自平衡。这种算法简单实用但并不是最理想的控制器，因为在复杂的运行环境中，该算法在很多时候处理的并不是很好，比如，该方法在外界存在干扰时，就会使控制出现抖震，在干扰特别大时，还会使平衡车失去平衡；同时，PID算法使用比例、积分、微分这三个成员进行线性组合也是不合理的，这种线性组合的方式会使其在系统鲁棒性和系统稳定性上无法两者兼顾，提高鲁棒性会使稳定性降低，反之提高稳定性则降低鲁棒性。也就是说使用PID算法的平衡车如果把鲁棒性调高，则它具有很强的保持直立的能力但一旦角度偏差过大则容易使其失去控制，从而造成危险的结果，如果把稳定性调高则，则会使其鲁棒性降低，从而导致平衡车承受负载的能力下降。总而言之，PID算法鲁棒性不够好，响应速度不够快，面对较大的扰动时，系统不稳定，当外部路面条件变化的时候，不能自适应较复杂的外部环境以及大范围负载的变化，使系统的抖振非常大。

故，针对目前现有技术中存在的上述缺陷，实有必要进行研究，以提供一种方案，解决现有技术中存在的缺陷。

发明内容

本发明的目的是一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，使建模过程更加精简且全面、增强系统的鲁棒性、提高系统的响应速度；能够应对较大的外部扰动；能够自适应外部环境以及大范围负载的变化；能够自动检测负载的加入；系统中参数的值更加精确；速度控制方式多样化。

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的技术方案为：

一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，包括以下步骤：

通过传感器测量模块采集自平衡机器人运动参数，该运动参数至少包括角速度信号和加速度信号；

根据角速度信号和加速度信号得出角度参量θ和角速度

在主控芯片中设置滑模自适应控制器，所述滑模自适应控制器根据实时输入的角度参量θ和角速度控制输出电压U从而驱动电机系统运动；

所述滑模自适应控制器的输出方程为：

U＝-(K+φ)X；

其中，X为角度参量θ和角速度的集合，其是通过将机器人等效为倒立摆模型并从能量和动量角度分析确定；K是通过倒立摆模型状态方程极点计算出来的参数矩阵；φ取值是根据以下公式决定：

γ是自适应速率，e为角度误差参数，C取[0 0 1 1]。

优选地，所述滑模自适应控制器还包括机器学习表(Map)，所述机器学习表(Map)根据输入的角度参量θ和角速度调节输出电压U。

优选地，所述滑模自适应控制器还包括机器学习模块，所述学习模块根据输入的角度参量θ和角速度更新所述机器学习表(Map)。

优选地，通过陀螺仪采集角速度信号，所述陀螺仪的型号为L3G420D。

优选地，通过加速度计采集加速度信号，所述加速度计的型号为LSM303D。

优选地，通过通讯模块实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯。

优选地，通过设置转向杆线性霍尔传感器实现自平衡机器人转向控制。

优选地，所述主控芯片采用DSP芯片。

优选地，所述通讯模块为无线数据传输模块。

与现有技术相比较，本发明所使用的方法能够对外界环境进行自适应同时能够最大程度降低外界环境中各种干扰对两轮自平衡机器人的影响并且不损失鲁棒性，同时本发明还会利用机器学习的方法对一些长期积累因素(如两轮自平衡机器人的机械特性或人为的操作习惯)进行磨合使两轮自平衡机器人具有最优的性能，从而保证了安全性与稳定性。

说明书附图

图1为本发明两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法的流程框图；

图2为本发明采用的倒立摆模型结构；

图3为本发明中滑模自适应控制器的结构框图；

图4为本发明中两轮自平衡机器人控制系统的结构框图；

图5为本发明中两轮自平衡机器人控制系统的执行流程图；

图6为仿真运行一段时间后地机器学习库的状态图；

图7为仿真时本发明在一定仿真条件的角度误差图；

图8为仿真时本发明没有机器学习模块情况下在一定仿真条件的角度误差图；

图9为与在同样的仿真条件下传统PID算法的角度误差图。

具体实施方式

参见图1，所示为本发明一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法的流程框图，包括以下步骤：

步骤S1：在自平衡机器人的主控芯片中设置滑模自适应控制器；其中，滑模自适应控制器的输出方程为：

U＝-(K+φ)X；

其中，X为角度参量θ和角速度的集合，K是通过极点计算出来的参数矩阵；φ取值是根据以下公式决定：

γ是自适应速率，e为角度误差参数，C取[0 0 1 1]。

步骤S2：通过传感器模块采集自平衡机器人运动参数，该运动参数至少包括角速度信号和加速度信号，通过陀螺仪和加速度计采集角速度信号和加速度信号，其中，陀螺仪的型号为L3G420D，加速度计的型号为LSM303D。

主控芯片获取角速度信号和加速度信号，通过IMU算法计算出4元数，再通过4元数还原出三个方位的欧拉角。从而计算得到角度参量θ和角速度

步骤S3：滑模自适应控制器获取传感参数角度参量θ和角速度根据上述输出方程控制输出电压进而驱动电机系统运动。电机系统运动使角度参量θ和角速度发生改变并反馈至滑模自适应控制器又调节输出电压U，不断循环该过程，使自平衡机器人始终能够回归自平衡状态。

采用上述技术方案，能够最大程度降低外界环境中各种干扰。

在步骤1中采用的滑模自适应控制器的设计原理如下：

两轮自平衡机器人的系统可以等效看作是一个倒立摆模型，倒立摆模型为现有技术通用的动力模型。从能量和动量角度分析，利用拉格朗日动力学理论，可以得到以下描述：

U＝-mgl+mglcosθ (2)

(2)式中，U为电动机输出电压，电动机施加电压后会产生力矩，该力矩与平衡车运动的势能成正比关系。(1)式和(2)式中，m为车身质量，M_w为转子(轮胎)质量，l为摆杆长度、J_e为平衡车转动惯量、J_m为转子(轮胎)转动惯量，平衡车轮胎转速，R为平衡车轮胎半径，这些参量都为自平衡机器人的固有参量，取决于自平衡机器人机械架构；在倒立摆模型下的不同机械架构，上述参量会发生变化。

其中，X_w为路程、为速度、θ为角度和为角速度为自平衡机器人的运动参量，这些数据可以通过传感器采集到。

在两轮自平衡机器人控制中，θ变化范围很小所以cosθ可以近似为1，sinθ可以近似为θ，然后根据(1)、(2)两个方程联立可以得到：

写成状态空间形式：

然后我们可以另 于是动力学模型可简化为

即简写形式：

由公式(7)可以选择合适的系统控制极点设计出控制器(一般p＝[v1,v2,v3,v4]，v1,v2,v3,v4<0利用matlab中place函数计算出K，K＝place(A,B,p))，从而得到下式：

U＝-K·X (8)

其中，K是通过选择合适极点计算出来的参数矩阵，X为

式(8)的控制器输出方程能够很好的实现直立自平衡，并且在控制精度上远优于PD控制，在极端情况中不易失控，但这个控制器缺少对外界条件的适应力，因此，本发明在此基础上还对控制器进行进一步优化。

参见图3，所示为滑模自适应控制器的原理框图，为了提高控制器的自适应能力，根据滑模控制理论在控制器加入滑模参量。滑模的最大优点在于鲁棒性强并且对于外界条件变化引起的参数摄动具有很强的免疫力。于是将控制器设计为：

U＝-(K+φ)X (9)

其中K＝[k₁ k₂ k₃ k₄]，φ＝[φ₁ φ₂ φ₃ φ₄],φ取值是根据以下公式决定：

滑模参量φ会根据实际采集值与误差进行不断累加和更新，当控制力度不足或过度时φ就会发生变化增大或减少，从而一直保持控制器输出最优结果，从而实现对参数摄动的抵抗作用。其中，sign为符号函数，γ是自适应速率，为常量，实际调试中选取合适值；e为角度误差参数，采集角度和期望角度的差值。

为了使控制器输出方程稳定，必须符合李雅普诺夫稳定性原理，证明如下：

(7)式动力学方程可简化为：

Y＝C·X (11)

将重新设计的控制器(9)式代入动力学方程，可以得到：

Y＝C·X (12)

其中v为控制器输入向量。

定义矩阵P，若存在矩阵Q满足A^TP+PA＝-Q,PB＝C，C取[0 0 1 1]，这里只要满足矩阵A是满秩，就可以证明Q存在。通过Matlab计算出r(A)＝4。

由此可见矩阵A为满秩矩阵。然后构造能量函数：

对V求导并代入(11)式与(13)式可得：

由此证明了该控制器满足李雅普诺夫稳定性原理。

通过上述技术方案，显著提高了自适应能力，但对在使用过程中的长期变化会每次都重新匹配，比如两轮自平衡机器人的机械特性或人为的操作习惯，无法智能匹配。

为了解决上述技术问题，本发明根据机器学习的理论，对两轮自平衡机器人的控制器进行进一步优化使其能够适应人的各种习惯，在滑模自适应控制器中增加机器学习表(Map)，机器学习表(Map)根据环境因素和驾驶习惯在出厂时预设的一张或多张参数表，机器学习表(Map)根据输入的角度参量θ和角速度查找参数值，从而能够调节输出电压U。

在一种优选实施方式中，在滑模自适应控制器还设置机器学习模块，学习模块根据输入的角度参量θ和角速度更新机器学习表(Map)，使机器学习表(Map)始终存储最佳参数，从而能够适应人的各种习惯。

由此，控制器的输出方程如下：

U＝-(K+φ)X+Map(X) (16)

该设计是在(9)式控制器输出方程的基础上进行扩展，其中Map(X)是通过机器学习的方法对控制器进行优化的参数表。该优化主要针对两轮自平衡机器人系统在实际情况中的非线性因素，例如人的主观控制，从而改善驾驶操控。

该控制器前段已在之前通过稳定性证明，只需要证明后端，定义能量函数：

求导后得到：

其中X_b＝Y＝CX

使用梯度优化法取：

这里ρ为梯度法步进，可以使当e＝0时取“＝”。

Map本质上是一张查找表，该方法会对每一个X_b根据误差和能量进行单独修正，从而使控制器在运行时能量|L|能够收敛到区间(v_min，v_max)内从而使控制不会产生过度响应，实际调试中在平衡车加速和减速时，由于加速和减速不平滑因此会产生较大的|L|，该方法使直立车加减速平滑化，给人一种比较柔和的感觉尤其是在起步和停车过程中，这种感觉会更加明显。

参见图4，所述为本发明两轮自平衡机器人的系统框图，包括传感器测量模块、主控芯片、通讯模块、转向杆线性霍尔传感器和电机系统，其中，传感器测量模块至少包括陀螺仪和加速度计，分别用于采集角速度信号和加速度信号，其中，陀螺仪的型号为L3G420D，加速度计的型号为LSM303D；主控芯片采用DSP芯片，在其中设置滑模自适应控制器；通讯模块采用串口通信模块或者无线数据传输模块，用于与外部设备进行数据通讯，以便于系统调试和维修检测；转向杆线性霍尔传感器用于实现自平衡机器人转向控制；电机系统至少包括无刷电机及其驱动电路。

本发明通过传感器模块获取两轮自平衡机器人姿态，通过转向杆上的线性霍尔传感器获取转向期望信号，然后通过DSP芯片进行运算处理，分别计算出两只无刷电机的控制量，从而实现自平衡。在此同时本发明还将一些系统参数通过通讯模块发送出去，以便实时监测与观测。

参见图5，所述为本发明两轮自平衡机器人的系统执行流程图，该系统在开始执行后首先进行初始化，然后分两条不同频率的任务，一条是方向控制，执行周期为20ms；另一条为本发明的平衡控制，执行周期为5ms。其中平衡控制首先通过传感器(陀螺仪和加速度计)采集角速度信号和加速度信号，然后通过姿态计算计算出两轮平衡车角度，然后根据角度计算出自适应律，并通过自适应控制器计算出自适应控制输出，接着根据Map查找出最优的Map输出，然后根据采集到的信号更新Map库，再将Map输出与自适应输出进行叠加从而计算出平衡控制输出，最后将直立控制和方向控制的控制输出进行叠加然后滤波从而控制电机输出。

参见图6，所示为仿真运行一段时间后的机器学习库的状态图，其中仿真条件是在其输入信号加载峰峰值为1频率为3kHz的g高频扰动和幅度为0.01的噪声信号。在运行一段时间后，其运行时出现的每个角度与角速度状态都经过机器学习、更新演化出如图6所示的机器学习Map表，可以看出在经机器学习以后，Map表对改机器学习的高频扰动和噪声信号的反应更为均匀，从而实现对控制器进行进一步的优化。

参见图7，所示为本发明在输入信号加载峰峰值为1频率为3kHz的g高频扰动和幅度为0.01的噪声信号仿真时的角度误差变化曲线，图8为在同样仿真条件下移除机器学习功能时的角度误差变化曲线，图9为在同样仿真条件下传统PID算法的角度误差变化曲线。从图7，图8和图9的仿真结果对比可以很明显的发现本发明的性能明显要优于传统PID算法，从图7和图8的对比，可以清楚的算出本发明中的机器学习模块可以对与控制中的细节部分进行进一步地改善从而增强了本发明的自适应控制性能。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指z出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过传感器测量模块采集自平衡机器人运动参数，该运动参数至少包括角速度信号和加速度信号；

根据角速度信号和加速度信号得出角度参量θ和角速度

在主控芯片中设置滑模自适应控制器，所述滑模自适应控制器根据实时输入的角度参量θ和角速度控制输出电压U从而驱动电机系统运动；

所述滑模自适应控制器的输出方程为：

U＝-(K+φ)X；

其中，X为角度参量θ和角速度的集合，其是通过将机器人等效为倒立摆模型并从能量和动量角度分析确定；K是通过倒立摆模型状态方程极点计算出来的参数矩阵；φ取值是根据以下公式决定：

γ是自适应速率，e为角度误差参数，C取[0 0 1 1]。

2.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，所述滑模自适应控制器还包括机器学习表(Map)，所述机器学习表(Map)根据输入的角度参量θ和角速度调节输出电压U。

3.根据权利要求2所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，所述滑模自适应控制器还包括机器学习模块，所述学习模块根据输入的角度参量θ和角速度更新所述机器学习表(Map)。

4.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，通过陀螺仪采集角速度信号，所述陀螺仪的型号为L3G420D。

5.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，通过加速度计采集加速度信号，所述加速度计的型号为LSM303D。

6.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，通过通讯模块实现自平衡机器人与外部设备进行数据通讯。

7.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，通过设置转向杆线性霍尔传感器实现自平衡机器人转向控制。

8.根据权利要求1所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，所述主控芯片采用DSP芯片。

9.根据权利要求6所述的两轮自平衡机器人滑模自适应控制方法，其特征在于，所述通讯模块为无线数据传输模块。