平衡车及其控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010894262.2 (22)申请日 2020.08.31 (71)申请人 南京航空航天大学 地址 210016 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 王秋伟赵又群邓汇凡徐瀚 冯世林 (74)专利代理机构 江苏圣典律师事务所 32237 代理人 张芳 (51)Int.Cl. G05D 1/08(2006.01) B62J 45/00(2020.01) B62K 11/00(2013.01) (54)发明名称 一种平衡车及其控制方法 (57)摘要 本发明公开了一。

2、种平衡车及其控制方法, 其 中, 平衡车的控制方法包括以下步骤: 获取上一 时刻平衡车的输入参数; 获取当前时刻平衡车的 状态参数; 根据目标函数和当前时刻平衡车的状 态参数确定控制增量; 将所述控制增量与所述上 一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前 时刻的输入参数; 本发明通过获取上一时刻的输 入参数, 当前时刻的状态参数, 预测未来平衡车 再控制输入下可能的轨迹, 运用极值求解的方 法, 可以有效避免平衡车的跟踪误差, 而且还可 以兼顾实际平衡车车轮转速的限制, 保证可实现 性。 权利要求书3页 说明书9页 附图2页 CN 112114588 A 2020.12.22 CN 11211。

3、4588 A 1.一种平衡车的控制方法, 其特征在于, 包括: 获取上一时刻平衡车的输入参数; 其中, 所述输入参数包括左轮转速和右轮转速; 获取当前时刻平衡车的状态参数; 其中, 所述状态参数包括航向角, 左右轮间距, 左轮 半径, 右轮半径, ; 根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定控制增量; 将所述控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻的输入 参数。 2.根据权利要求1所述的控制方法, 其特征在于: 所述目标函数如(1)所示, 式中, minJ表示最小化目标函数, Np为预测时域, Nc为控制时域, yt+i|t为预测的第i步系 统输出状态, r(i)为参考的。

4、理想轨迹, ut+i|t为要求的控制输入增量, Q和R为对应的权值 矩阵; 3.根据权利要求1所述的控制方法, 其特征在于, 所述根据目标函数和当前时刻平衡车 的状态参数确定控制增量, 进一步包括: 根据当前时刻平衡车的左轮转速和右轮转速确定平衡车的状态方程; 其中所述状态方 程如(2)所示, 根据所述平衡车的状态方程确定平衡车的输出方程; 其中所述输出方法如(3)所示, 其中: uuk-uk-1 0ij表示i行j列的全零矩阵; Ii表示阶数为i的单位矩阵, k+1 k+1,ukT, T为采样时 间; 根据参考轨迹、 输出方程以及下一时刻的输出预测值确定控制增量; 其中, 所述下一时 刻的输出。

5、预测值如(4)所示, 其中: Yyt+1|t yt+2|tyt+Np|tT 权利要求书 1/3 页 2 CN 112114588 A 2 4.根据权利要求2或3所示的控制方法, 其特征在于, 所述根据参考轨迹与下一时刻系 统的输出预测值确定控制增量, 进一步包括: 根据所述参考轨迹确定下一时刻的状态预测值; 根据所述状态预测值以及所述输出方程确定下一时刻的输出预测值; 根据所述输出预测值以及所述目标函数确定控制增量。 5.根据权利要求4所述的控制方法, 其特征在于, 所述将所述控制增量与所述上一时刻 平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻的输入参数, 进一步包括: 根据所述目标函数、 控制增量。

6、约束、 控制量约束确定未来一系列控制增量; 其中所述控 制增量约束为uminut+i|tumax i0,1,.,Nc, 控制量约束为uminut+i|tumax i 1,.,Nc; 将所述一系列控制增量中向量的第一项作为实际的控制增量; 将所述实际的控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻 的输入参数。 6.一种平衡车, 其特征在于, 包括: 第一获取单元, 用于获取上一时刻平衡车的输入参数; 其中, 所述输入参数包括左轮转 速和右轮转速; 第二获取单元, 用于获取当前时刻平衡车的状态参数; 其中, 所述状态参数包括航向 角, 左右轮间距, 左轮半径, 右轮半径, 左轮转速。

7、, 右轮转速; 确定单元, 用于根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定控制增量; 叠加单元, 用于将所述控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当 前时刻的输入参数。 7.根据权利要求6所述的平衡车, 其特征在于: 所述目标函数如(1)所示, 式中, minJ表示最小化目标函数, Np为预测时域, Nc为控制时域, yt+i|t为预测的第i步系 统输出状态, r(i)为参考的理想轨迹, ut+i|t为要求的控制输入增量, Q和R为对应的权值 矩阵; 8.根据权利要求6所述的平衡车, 其特征在于, 所述根据目标函数和当前时刻平衡车的 状态参数确定控制增量, 进一步包括: 根据当前。

8、时刻平衡车的左轮转速和右轮转速确定平衡车的状态方程; 其中所述状态方 程如(2)所示, 权利要求书 2/3 页 3 CN 112114588 A 3 根据所述平衡车的状态方程确定平衡车的输出方程; 其中所述输出方法如(3)所示, 其中: uuk-uk-1 0ij表示i行j列的全零矩阵; Ii表示阶数为i的单位矩阵, k+1 k+1,ukT, T为采样时 间; 根据参考轨迹、 输出方程以及下一时刻的输出预测值确定控制增量; 其中, 所述下一时 刻的输出预测值如(4)所示, 其中: Yyt+1|t yt+2|tyt+Np|tT 9.根据权利要求7或8所示的平衡车, 其特征在于, 所述根据参考轨迹与。

9、下一时刻系统 的输出预测值确定控制增量, 进一步包括: 根据所述参考轨迹确定下一时刻的状态预测值; 根据所述状态预测值以及所述输出方程确定下一时刻的输出预测值; 根据所述输出预测值以及所述目标函数确定控制增量。 10.根据权利要求9所述的平衡车, 其特征在于, 所述将所述控制增量与所述上一时刻 平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻的输入参数, 进一步包括: 根据所述目标函数、 控制增量约束、 控制量约束确定未来一系列控制增量; 其中所述控制增量约束为uminut+i|tumax i0,1,.,Nc, 控制量约束为umin ut+i|tumax i1,.,Nc; 将所述一系列控制增量中向量的第。

10、一项作为实际的控制增量; 将所述实际的控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻 的输入参数。 权利要求书 3/3 页 4 CN 112114588 A 4 一种平衡车及其控制方法 技术领域 0001 本发明涉及平衡车技术领域, 特别是涉及一种平衡车以及其控制方法。 背景技术 0002 目前传统两轮平衡车多是根据驾驶员身体姿态或是重心位置调整运动轨迹, 缺乏 对未来运动的规划, 容易造成 “理解” 驾驶员意图的错误, 导致两轮平衡车轨迹偏离驾驶员 的理想值, 不能很好的按照驾驶员预定轨迹行驶。 发明内容 0003 为了解决现有的平衡车容易偏离预定轨迹的问题, 本发明提供一种误。

11、差小的平衡 车及其控制方法。 0004 为了实现上述目的, 本发明一方面提供一种平衡车的控制方法, 包括: 0005 获取上一时刻平衡车的输入参数; 其中, 所述输入参数包括左轮转速和右轮转速; 0006 获取当前时刻平衡车的状态参数; 其中, 所述状态参数包括航向角, 左右轮间距, 左轮半径, 右轮半径, ; 0007 根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定控制增量; 0008 将所述控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻的 输入参数。 0009 可选的, 所述目标函数如(1)所示, 0010 0011 式中, minJ表示最小化目标函数, Np为预测时域, Nc为。

12、控制时域, yt+it为预测的第i 步系统输出状态,r(i)为参考的理想轨迹, ut+it为要求的控制输入增量, Q和R为对应的权 值矩阵; 0012 可选的, 所述根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定控制增量, 进一步 包括: 0013 根据当前时刻平衡车的左轮转速和右轮转速确定平衡车的状态方程; 其中所述状 态方程如(2)所示, 0014 0015 根据所述平衡车的状态方程确定平衡车的输出方程; 其中所述输出方法如(3)所 示, 0016 0017 其中: 说明书 1/9 页 5 CN 112114588 A 5 0018 0019 0020 uuk-uk-1 0021 0ij表示i。

13、行j列的全零矩阵; Ii表示阶数为i的单位矩阵, k+1 k+1,ukT, T为采样 时间; 0022 根据参考轨迹、 输出方程以及下一时刻的输出预测值确定控制增量; 其中, 所述下 一时刻的输出预测值如(4)所示, 0023 0024 其中: 0025 Yyt+1|t yt+2|t yt+Np|tT 0026 0027 0028 可选的, 所述根据参考轨迹与下一时刻系统的输出预测值确定控制增量, 进一步 包括: 0029 根据所述参考轨迹确定下一时刻的状态预测值; 0030 根据所述状态预测值以及所述输出方程确定下一时刻的输出预测值; 0031 根据所述输出预测值以及所述目标函数确定控制增量。

14、。 0032 可选的, 所述将所述控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车 当前时刻的输入参数, 进一步包括: 0033 根据所述目标函数、 控制增量约束、 控制量约束确定未来一系列控制增量; 其中所 述控制增量约束为uminut+i|tumax i0,1,.,Nc, 控制量约束为uminut+i|tumax i1,.,Nc; 0034 将所述一系列控制增量中向量的第一项作为实际的控制增量; 0035 将所述实际的控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前 时刻的输入参数。 0036 另一方面, 本发明还提供一种平衡车, 其特征在于, 包括: 0037 第一获取单元,。

15、 用于获取上一时刻平衡车的输入参数; 其中, 所述输入参数包括左 轮转速和右轮转速; 0038 第二获取单元, 用于获取当前时刻平衡车的状态参数; 其中, 所述状态参数包括航 说明书 2/9 页 6 CN 112114588 A 6 向角, 左右轮间距, 左轮半径, 右轮半径, 左轮转速, 右轮转速; 0039 确定单元, 用于根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定控制增量; 0040 叠加单元, 用于将所述控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡 车当前时刻的输入参数。 0041 在上述平衡车中, 可选的, 所述目标函数如(1)所示, 0042 0043 式中, minJ表示最。

16、小化目标函数, Np为预测时域, Nc为控制时域, yt+i|t为预测的第i 步系统输出状态, r(i)为参考的理想轨迹, ut+i|t为要求的控制输入增量, Q和R为对应的 权值矩阵; 0044 在上述平衡车中, 可选的, 所述根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定 控制增量, 进一步包括: 0045 根据当前时刻平衡车的左轮转速和右轮转速确定平衡车的状态方程; 其中所述状 态方程如(2)所示, 0046 0047 根据所述平衡车的状态方程确定平衡车的输出方程; 其中所述输出方法如(3)所 示, 0048 0049 其中: 0050 0051 0052 uuk-uk-1 0053 0ij。

17、表示i行j列的全零矩阵; Ii表示阶数为i的单位矩阵, k+1 k+1,ukT, T为采样 时间; 0054 根据参考轨迹、 输出方程以及下一时刻的输出预测值确定控制增量; 其中, 所述下 一时刻的输出预测值如(4)所示, 0055 0056 其中: 0057 Yyt+1|t yt+2|t yt+Np|tT 0058 说明书 3/9 页 7 CN 112114588 A 7 0059 0060 在上述平衡车中, 可选的, 所述根据参考轨迹与下一时刻系统的输出预测值确定 控制增量, 进一步包括: 0061 根据所述参考轨迹确定下一时刻的状态预测值; 0062 根据所述状态预测值以及所述输出方程确。

18、定下一时刻的输出预测值; 0063 根据所述输出预测值以及所述目标函数确定控制增量。 0064 在上述平衡车中, 可选的, 所述将所述控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参 数叠加得到平衡车当前时刻的输入参数, 进一步包括: 0065 根据所述目标函数、 控制增量约束、 控制量约束确定未来一系列控制增量; 其中所 述控制增量约束为uminut+i|tumax i0,1,.,Nc, 控制量约束为uminut+i|tumax i1,.,Nc; 0066 将所述一系列控制增量中向量的第一项作为实际的控制增量; 0067 将所述实际的控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前 时刻的输入参。

19、数。 0068 本发明相对于现有技术的有益效果是: 本发明通过获取上一时刻的输入参数, 当 前时刻的状态参数, 预测未来平衡车再控制输入下可能的轨迹, 运用极值求解的方法, 可以 有效避免平衡车的跟踪误差, 而且还可以兼顾实际平衡车车轮转速的限制, 保证可实现性。 附图说明 0069 图1是本发明中平衡车控制方法的流程图; 0070 图2是本发明中平衡车的运动状态分析图; 0071 图3是本发明中平衡车的结构图。 具体实施方式 0072 下面将结合本发明实施例中的附图, 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述, 显然, 所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例, 而不是全部的实施例。。

20、 基于 本发明中的实施例, 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例, 都属于本发明保护的范围。 0073 如本申请和权利要求书中所示, 除非上下文明确提示例外情形,“一” 、“一个” 、“一 种” 和/或 “该” 等词并非特指单数, 也可包括复数。 一般说来, 术语 “包括” 与 “包含” 仅提示包 括已明确标识的步骤和元素, 而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列, 方法或者设备 也可能包含其他的步骤或元素。 0074 除非另外具体说明, 否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、 数字表 说明书 4/9 页 8 CN 112114588 A 8 达式和数值。

21、不限制本申请的范围。 同时, 应当明白, 为了便于描述, 附图中所示出的各个部 分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。 对于相关领域普通技术人员已知的技术、 方 法和设备可能不作详细讨论, 但在适当情况下, 所述技术、 方法和设备应当被视为授权说明 书的一部分。 在这里示出和讨论的所有示例中, 任何具体值应被解释为仅仅是示例性的, 而 不是作为限制。 因此, 示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。 应注意到: 相似的标号 和字母在下面的附图中表示类似项, 因此, 一旦某一项在一个附图中被定义, 则在随后的附 图中不需要对其进行进一步讨论。 0075 参照图1和图2, 本实施例提供一种平衡车。

22、的控制方法, 包括以下步骤: 0076 S10: 获取上一时刻平衡车的输入参数; 0077 具体的, 获取平衡车上一时刻的, 所述输入参数包括左轮转速和右轮转速。 0078 S20: 获取当前时刻平衡车的状态参数; 其中, 所述状态参数包括航向角, 左右轮间 距, 左轮半径, 右轮半径, 左轮转速, 右轮转速; 0079 S30: 根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定控制增量; 0080 具体的, 两轮平衡车空间位置用横向位置x, 纵向位置y, 和航向角 描述, 平衡车左 右轮间距为L, 车轮半径为R, 左轮轮速和转速用Vl和l表示, 右轮轮速和转速用Vr和r表 示; 0081 两轮平衡。

23、车左右车轮轮速与转速关系为: 0082 0083 两轮平衡车质心处速度为: 0084 0085 而两轮平衡车的空间位置与质心位置处的车速度之间的关系为: 0086 0087式中, 为平衡车质心处沿x轴方向速度, 为平衡车质心处沿y轴方向速度, V为平 衡车质心处速度, 为航向角。 0088 两轮平衡车左右车轮相对于瞬时转动中心O1的转动角速度为: 0089 0090 式中, ll表示左轮距离瞬时转动中心的距离, lr表示右轮距离瞬时转动中心的距 离。 0091 又有: 0092 ll-lrL (5) 0093 式中, L为左右车轮距离。 0094 根据公式(4)和(5)可以求解出两轮平衡车航向。

24、角速度为: 0095 说明书 5/9 页 9 CN 112114588 A 9 0096 因此选取 x,y, T作为两轮平衡车的系统状态, 左右轮转速ul,rT作 为系统输入, 两轮平衡车系统方程为: 0097 0098 简写为: 0099 0100 其中, f(*)为非线性状态转移函数; 0101 将公式(8)进行线性化, 得到: 0102 0103 其中: 0104 0105 0106 再对公式(9)进行离散化, 设采样时间为T, 则离散状态方程为: 0107 0108 其中: 0109 说明书 6/9 页 10 CN 112114588 A 10 0110 0111 选取新的状态 k+1。

25、 k+1,ukT, 根据公式(12)构造新的关于两轮平衡车的状态方 程: 0112 0113 输出为两轮平衡车的位置以及航向角x,y, T, 因此构建输出方程为: 0114 0115 其中: 0116 0117 0118 uuk-uk-1 (19) 0119 注: 0ij表示i行j列的全零矩阵; Ii表示阶数为i的单位矩阵; 0120 两轮平衡车轨迹跟踪控制中规划好的参考轨迹为 r(k)xr(k),yr(k), r(k)T, 在当前时刻t预测未来第k步的状态记作 t+k|t, 因此在当前状态 t和未来Nc步内可能的控制 输入下, 未来Np(NpNc)步内系统的状态预测值为: 0121 0122。

26、 0123 0124 0125 根据公式(16), (20), (21)和(22), 可以得到两轮平衡车未来Np(NpNc)步内系统 的输出预测值为: 0126 0127 其中: 0128 Yyt+1|t yt+2|t yt+Np|tT (24) 0129 说明书 7/9 页 11 CN 112114588 A 11 0130 0131 通过建立以下目标函数: 0132 0133 式中, minJ表示最小化目标函数, Np为预测时域, Nc为控制时域, yt+i|t为预测的第i 步系统输出状态, r(i)为参考的理想轨迹, ut+i|t为要求的控制输入增量, Q和R为对应的 权值矩阵。 013。

27、4 S40: 将控制增量与所述上一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻的 输入参数; 0135 具体的, 考虑控制增量约束和控制量约束: 0136 uminut+i|tumax i0,1,.,Nc (28) 0137 uminut+i|tumax i1,.,Nc (29) 0138 通过计算机求解公式(27)的极值问题, 可以得到未来可能一系列控制增量: 0139 0140 取公式(30)中向量的第一项作为实际的控制增量, 根据上一步的控制输入ut-1, 得 到当前两轮平衡车的实际控制输入: 0141 0142 当车辆进入下一个采样时刻时, 重复上述过程, 不断求解左右轮转速的控制量。 。

28、0143 该控制方法通过预测未来平衡车再控制输入下可能的轨迹, 运用极值求解的方 法, 可以有效避免平衡车的跟踪误差, 而且还可以兼顾实际平衡车车轮转速的限制, 保证可 实现性。 0144 在另外一些实施例中, 本发明提供一种平衡车, 如图3所示, 该平衡车包括第一获 取单元10, 第二获取单元20, 确定单元30以及叠加单元40, 其中第一获取单元, 用于获取平 衡车上一时刻的, 所述输入参数包括左轮转速和右轮转速。 0145 第二获取单元20, 用于获取当前时刻平衡车的状态参数; 其中, 所述状态参数包括 航向角, 左右轮间距, 左轮半径, 右轮半径, 左轮转速, 右轮转速; 0146 确。

29、定单元30用于根据目标函数和当前时刻平衡车的状态参数确定控制增量, 具体 的确定方法上述步骤S30中已经详细描述, 在本实施例中就不再赘述。 0147 叠加单元40用于将确定单元30确定的控制增量与第一获取单元10获取得到的上 一时刻平衡车的输入参数叠加得到平衡车当前时刻的输入参数, 具体的叠加方法和步骤请 参照上述平衡车控制方法的实施例中的步骤S40, 在本实施例中不在赘述。 说明书 8/9 页 12 CN 112114588 A 12 0148 以上所述仅为本发明的实施方式, 并非因此限制本发明的专利范围, 凡是利用本 发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换, 或直接或间接运用在其他相关的 技术领域, 均同理包括在本发明的专利保护范围内。 说明书 9/9 页 13 CN 112114588 A 13 图1 图2 说明书附图 1/2 页 14 CN 112114588 A 14 图3 说明书附图 2/2 页 15 CN 112114588 A 15 。

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