电动独轮车的模糊自适应控制论文

　　0 引 言

　　相比于电动自行车和摩托车，电动独轮车具有体积小、重量轻，携带方便等很多优点，将成为一种新型的短途出行的交通工具。针对骑行电动独轮车本体结构和控制策略的研究越来越受到人们的关注。

　　独轮车的控制主要分俯仰和横滚平衡控制，如果独轮车的横滚平衡是由骑行者来实现，那么载人的电动独轮车的控制目标就是通过对电机的控制实现俯仰平衡。骑行者的身体前倾使车身前倾，为了保证人不摔倒，车轮需要向前滚动来实现俯仰平衡，同理骑行者身体后仰就需要车轮向后滚动来保持平衡。为了实现独轮车的俯仰平衡控制，学者们提出了不同的控制方案。文献[7]提出了传统的PD控制器来实现平衡控制，但是系统的抗干扰能力较差;文献提出了一种建模方法并通过线性二次型调节器(LQR)来实现独轮车的稳定，但仅实现车体本身的一种平衡控制，没有考虑车体有不同负载时的运行情况。文献提出自适应非线性控制器实现了载人独轮车的平衡控制并获得了良好的骑行性能，但是控制策略以精确的数学模型为基础，实现起来也较为复杂。

　　为了简化控制模型并在实际骑行中得到较好的动、静态特性，本研究首先利用牛顿力学方法建立骑行电动独轮车的动力学模型，分析不同的骑行者的姿态与被控对象之间的非线性关系，然后设计对被控对象参数变化不敏感的自适应模糊PD控制器，最后通过实验验证控制策略在提高骑行电动独轮车的稳态、动态性能以及鲁棒性方面的有效性。

　　1 电动独轮车控制模型

　　1.1 系统框架

　　骑行电动独轮车外观如图1所示。独轮车的主体为带有控制电路板的外转子永磁无刷直流电机。当骑行者通过前倾或后仰使车体前后倾斜时，永磁无刷直流电机输出合适的转矩使车体滚动，来保持骑行者以及车体的俯仰平衡。踏板跟车体硬性连接，踏板的角度直接反映了车体的倾斜程度，保持踏板水平也就保持了整个系统的平衡。

　　1.2 数学模型

　　由于实际的机械零件和运动过程比较复杂，一般需要在允许的范围内忽略摩擦、形变以及弹性等因素。

　　1.3 模糊控制器设计

　　电动独轮车通过对电机的转矩控制实现最终的平衡运行，其控制框图如图4所示。由陀螺仪和加速度计测量所得的独轮车姿态信息，通过滤波后输入控制器。控制器输出转矩控制信号通过驱动板施加给电机，以此来实现独轮车平衡运行。

　　2 实验及结果分析

　　电动独轮车的电机采用外转子永磁无刷直流电机，其额定电压为50 V，额定转速360 r/min，额定功率350 W。实验时，50 V母线电压由装在独轮车内部区的锂电池提供。主控制芯片采用 Cypress 公司的PSoC4。

　　3 结束语

　　骑行电动独轮车是一个强非线性系统，不同的骑行环境和骑行者的使用方法对其平衡控制有较大的影响。

　　本研究设计的自适应模糊PD控制器能较好地适应应用环境，保证骑行者的正常骑行，实验结果验证了控制器稳态性能更好，而且具备更强的鲁棒性。