本發(fā)明涉及兩輪自平衡機(jī)器人控制領(lǐng)域，尤其涉及一種內(nèi)置無刷直流電機(jī)電流環(huán)控制的兩輪自平衡機(jī)器人滑模自適應(yīng)控制器。

背景技術(shù)：

兩輪自平衡機(jī)器人是一種利用傳感器感知自身狀態(tài)，然后通過控制算法控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自平衡。近年來，隨著兩輪自平衡機(jī)器人技術(shù)不斷完善以及成本不斷降低，逐漸成為更多人接受的代步工具，使兩輪自平衡機(jī)器人開始從實(shí)驗(yàn)研究階段轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟊娦偷拇焦ぞ?，其所面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜。

目前市場(chǎng)上有各種類型的平衡機(jī)器人，大多使用PID控制算法，該算法通過采集兩輪自平衡機(jī)器人當(dāng)前角度并計(jì)算與目標(biāo)角度的偏差，在將這個(gè)偏差進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算計(jì)算出馬達(dá)控制量從而實(shí)現(xiàn)兩輪自平衡機(jī)器人自平衡。這種算法簡(jiǎn)單實(shí)用但并不是最理想的控制器，因?yàn)樵趶?fù)雜的運(yùn)行環(huán)境中，該算法在很多時(shí)候處理的并不是很好，比如，該方法在外界存在干擾時(shí)，就會(huì)使控制出現(xiàn)抖震，在干擾特別大時(shí)，還會(huì)使平衡車失去平衡；同時(shí)，PID算法使用比例、積分、微分這三個(gè)成員進(jìn)行線性組合也是不合理的，這種線性組合的方式會(huì)使其在系統(tǒng)魯棒性和系統(tǒng)穩(wěn)定性上無法兩者兼顧，提高魯棒性會(huì)使穩(wěn)定性降低，反之提高穩(wěn)定性則降低魯棒性。也就是說使用PID算法的平衡車如果把魯棒性調(diào)高，則它具有很強(qiáng)的保持直立的能力但一旦角度偏差過大則容易使其失去控制，從而造成危險(xiǎn)的結(jié)果，如果把穩(wěn)定性調(diào)高則，則會(huì)使其魯棒性降低，從而導(dǎo)致平衡車承受負(fù)載的能力下降。總而言之，PID算法魯棒性不夠好，響應(yīng)速度不夠快，面對(duì)較大的擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)不穩(wěn)定，當(dāng)外部路面條件變化的時(shí)候，不能自適應(yīng)較復(fù)雜的外部環(huán)境以及大范圍負(fù)載的變化，使系統(tǒng)的抖振非常大。

現(xiàn)有技術(shù)自平衡機(jī)器人在實(shí)際操控時(shí)常常會(huì)造成無刷電機(jī)堵轉(zhuǎn)，在堵轉(zhuǎn)情況下在無刷電機(jī)電路中會(huì)產(chǎn)生很大的電流，并會(huì)使無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的MOS管發(fā)熱，當(dāng)溫度過高時(shí)MOS管的使用壽命會(huì)下降，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接燒壞MOS管造成驅(qū)動(dòng)電路短路。更有些時(shí)候由于認(rèn)為操作不當(dāng)在無刷電機(jī)輸出極大時(shí)堵轉(zhuǎn)，這樣則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的浪涌電流直接擊穿MOS管導(dǎo)致無刷電機(jī)暴走從而產(chǎn)生很危險(xiǎn)的情況。

故，針對(duì)目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實(shí)有必要進(jìn)行研究，以提供一種方案，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是一種內(nèi)置無刷直流電機(jī)電流環(huán)控制的兩輪自平衡機(jī)器人滑模自適應(yīng)控制器，能夠增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性、提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度、能夠應(yīng)對(duì)較大的外部擾動(dòng)，提高平衡車壽命和安全性。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種內(nèi)置無刷直流電機(jī)電流環(huán)控制的兩輪自平衡機(jī)器人滑模自適應(yīng)控制器，該控制器與傳感器測(cè)量模塊和電機(jī)系統(tǒng)相連接，用于根據(jù)所述傳感器測(cè)量模塊的采樣信息獲取自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制所述電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)；所述運(yùn)動(dòng)參數(shù)至少包括角度θ、角速度和電機(jī)電流i_a；

所述控制器至少包括滑模自適應(yīng)控制器和電流環(huán)自抗擾控制器，所述滑模自適應(yīng)控制器根據(jù)實(shí)時(shí)輸入的角度參量θ和角速度控制輸出電機(jī)扭矩T_w，并將電機(jī)扭矩T_w轉(zhuǎn)換為電流

所述電流環(huán)自抗擾控制器根據(jù)電流以及傳感器測(cè)量模塊檢測(cè)的電機(jī)電流i_a控制輸出電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)；

所述滑模自適應(yīng)控制器的輸出方程為：

T_w＝-(K+φ)X；

其中，X為角度參量θ和角速度的集合，K是通過極點(diǎn)計(jì)算出來的參數(shù)矩陣；φ取值是根據(jù)以下公式?jīng)Q定：

γ是自適應(yīng)速率，e為角度誤差參數(shù)，C取[0 0 1 1]；

所述電流環(huán)自抗擾控制器的輸出方程為：

優(yōu)選地，所述滑模自適應(yīng)控制器中還設(shè)置機(jī)器學(xué)習(xí)表(Map)，所述機(jī)器學(xué)習(xí)表(Map)用于根據(jù)輸入的角度參量θ和角速度調(diào)節(jié)輸出電機(jī)扭矩T_w。

優(yōu)選地，所述滑模自適應(yīng)控制器還包括機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，所述機(jī)器學(xué)習(xí)模塊用于根據(jù)輸入的角度參量θ和角速度更新所述機(jī)器學(xué)習(xí)表(Map)。

優(yōu)選地，所述滑模自適應(yīng)控制器的輸出方程為：

T_w＝-(K+φ)X+Map(X)；其中，

優(yōu)選地，所述傳感器測(cè)量模塊至少包括陀螺儀、加速度計(jì)和電流檢測(cè)模塊。

優(yōu)選地，所述陀螺儀的型號(hào)為L(zhǎng)3G420D。

優(yōu)選地，所述加速度計(jì)的型號(hào)為L(zhǎng)SM303D。

優(yōu)選地，所述控制器通過通訊模塊實(shí)現(xiàn)自平衡機(jī)器人與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

優(yōu)選地，所述控制器通過轉(zhuǎn)向桿線性霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)自平衡機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制。

優(yōu)選地，所述控制器設(shè)置在主控芯片中。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明能夠?qū)ν饨绛h(huán)境進(jìn)行自適應(yīng)同時(shí)能夠最大程度降低外界環(huán)境中各種干擾對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人的影響并且不損失魯棒性，并且在控制器中增加電流環(huán)控制，從而有效控制驅(qū)動(dòng)電流大小，不會(huì)產(chǎn)生大電流從而保護(hù)了無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大大提高平衡車壽命和安全性使用。同時(shí)本發(fā)明的技術(shù)方案還能夠利用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)一些長(zhǎng)期積累因素(如兩輪自平衡機(jī)器人的機(jī)械特性或人為的操作習(xí)慣)進(jìn)行磨合使兩輪自平衡機(jī)器人具有最優(yōu)的性能，從而保證了安全性與穩(wěn)定性。

說明書附圖

圖1為本發(fā)明內(nèi)置無刷直流電機(jī)電流環(huán)控制的兩輪自平衡機(jī)器人滑模自適應(yīng)控制器的系統(tǒng)架構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明內(nèi)置無刷直流電機(jī)電流環(huán)控制的兩輪自平衡機(jī)器人滑模自適應(yīng)控制器的原理框圖；

圖3本發(fā)明中采用的倒立擺模型結(jié)構(gòu)；

圖4為本發(fā)明中電流環(huán)自抗擾控制器的結(jié)構(gòu)框圖；

圖5為本發(fā)明電流環(huán)系統(tǒng)框圖；

圖6為本發(fā)明中兩輪自平衡機(jī)器人控制系統(tǒng)的執(zhí)行流程圖；

圖7為仿真運(yùn)行一段時(shí)間后地機(jī)器學(xué)習(xí)庫地狀態(tài)圖；

圖8為仿真時(shí)本發(fā)明角度誤差與在本發(fā)明沒有機(jī)器學(xué)習(xí)情況下地角度誤差和傳統(tǒng)PID角度誤差圖；

圖9為本發(fā)明電流環(huán)自抗擾控制中實(shí)測(cè)電流跟蹤與擴(kuò)張觀測(cè)器觀測(cè)電流跟蹤圖；

圖10為本發(fā)明電流環(huán)自抗擾控制中實(shí)測(cè)電流與期望誤差與擴(kuò)張觀測(cè)器觀測(cè)電流與期望誤差圖。

圖11、圖12為本發(fā)明無刷電機(jī)自抗擾電流控制實(shí)測(cè)效果圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，所示為本發(fā)明一種內(nèi)置無刷直流電機(jī)電流環(huán)控制的兩輪自平衡機(jī)器人滑模自適應(yīng)控制器的系統(tǒng)框圖，包括傳感器測(cè)量模塊、主控芯片、通訊模塊、轉(zhuǎn)向桿線性霍爾傳感器和電機(jī)系統(tǒng)，其中，傳感器測(cè)量模塊采用于集自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，至少包括陀螺儀和加速度計(jì)，分別用于采集角速度信號(hào)和加速度信號(hào)，其中，陀螺儀的型號(hào)為L(zhǎng)3G420D，加速度計(jì)的型號(hào)為L(zhǎng)SM303D；電機(jī)系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)兩輪自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，電機(jī)系統(tǒng)為兩輪自平衡機(jī)器人的動(dòng)力執(zhí)行系統(tǒng)，至少包括無刷電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路；通訊模塊采用串口通信模塊或者無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以便于系統(tǒng)調(diào)試和維修檢測(cè)；轉(zhuǎn)向桿線性霍爾傳感器用于實(shí)現(xiàn)自平衡機(jī)器人轉(zhuǎn)向控制；主控芯片與傳感器測(cè)量模塊和電機(jī)系統(tǒng)相連接，用于根據(jù)所述傳感器測(cè)量模塊采集的運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制所述電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，主控芯片采用DSP芯片，在其中內(nèi)設(shè)內(nèi)置電流環(huán)控制的滑模自適應(yīng)控制器，參見圖2，所示為本發(fā)明中內(nèi)置電流環(huán)控制的滑模自適應(yīng)控制器的原理框圖，該控制器與傳感器測(cè)量模塊和電機(jī)系統(tǒng)相連接，用于根據(jù)傳感器測(cè)量模塊的采樣信息獲取自平衡機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)控制電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)參數(shù)至少包括角度θ、角速度和電機(jī)電流i_a；

控制器至少包括滑模自適應(yīng)控制器和電流環(huán)自抗擾控制器，滑模自適應(yīng)控制器根據(jù)實(shí)時(shí)輸入的角度參量θ和角速度控制輸出電機(jī)扭矩T_w，并將電機(jī)扭矩T_w轉(zhuǎn)換為輸入電流

電流環(huán)自抗擾控制器根據(jù)電流以及傳感器測(cè)量模塊檢測(cè)的電機(jī)電流i_a控制輸出電壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)；

滑模自適應(yīng)控制器的輸出方程為：

T_w＝-(K+φ)X；

其中，X為角度參量θ和角速度的集合，K是通過極點(diǎn)計(jì)算出來的參數(shù)矩陣；φ取值是根據(jù)以下公式?jīng)Q定：

γ是自適應(yīng)速率，e為角度誤差參數(shù)，C取[0 0 1 1]；

電流環(huán)自抗擾控制器的輸出方程為：

上述滑模自適應(yīng)控制器的輸出方程中，X為角度參量θ和角速度的集合，K是通過極點(diǎn)計(jì)算出來的參數(shù)矩陣；φ取值是根據(jù)以下公式?jīng)Q定：

γ是自適應(yīng)速率，e為角度誤差參數(shù)，C取[0 0 1 1]。

上述滑模自適應(yīng)控制器的設(shè)計(jì)原理如下：

兩輪自平衡機(jī)器人的系統(tǒng)可以等效看作是一個(gè)倒立擺模型，參見圖3，所示的倒立擺模型結(jié)構(gòu)為現(xiàn)有技術(shù)通用的動(dòng)力模型。從能量和動(dòng)量角度分析，利用拉格朗日動(dòng)力學(xué)理論，可以得到以下描述：

U＝-mgl+mglcosθ (2)

(1)式和(2)式中，m為車身質(zhì)量，M_w為轉(zhuǎn)子(輪胎)質(zhì)量，l為擺桿長(zhǎng)度、J_e為平衡車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、J_m為轉(zhuǎn)子(輪胎)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這些參量都為自平衡機(jī)器人的固有參量，取決于自平衡機(jī)器人機(jī)械架構(gòu)；在倒立擺模型下的不同機(jī)械架構(gòu)，上述參量會(huì)發(fā)生變化。

其中，X_w為路程、為速度、θ為角度和為角速度為自平衡機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參量，這些數(shù)據(jù)可以通過傳感器采集到。

在兩輪自平衡機(jī)器人控制中，θ變化范圍很小所以cosθ可以近似為1，sinθ可以近似為θ，然后根據(jù)(1)、(2)兩個(gè)方程聯(lián)立可以得到：

寫成狀態(tài)空間形式：

然后我們可以另于是動(dòng)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為

即簡(jiǎn)寫形式：

由公式(7)可以選擇合適的系統(tǒng)控制極點(diǎn)設(shè)計(jì)出控制器(一般p＝[v1,v2,v3,v4]，v1,v2,v3,v4<0利用matlab中place函數(shù)計(jì)算出K，K＝place(A,B,p))，從而得到下式：

U＝-K·X (8)

其中，這里輸出U能夠采用輸出電機(jī)扭矩T_w，從而將輸出方程變?yōu)椋篢_w＝-K·X，K是通過選擇合適極點(diǎn)計(jì)算出來的參數(shù)矩陣，X為

上式的控制器輸出方程能夠很好的實(shí)現(xiàn)直立自平衡，并且在控制精度上遠(yuǎn)優(yōu)于PD控制，在極端情況中不易失控，但這個(gè)控制器缺少對(duì)外界條件的適應(yīng)力，因此，本發(fā)明在此基礎(chǔ)上還對(duì)控制器進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

為了提高控制器的自適應(yīng)能力，根據(jù)滑模控制理論在控制器加入滑模參量?；５淖畲髢?yōu)點(diǎn)在于魯棒性強(qiáng)并且對(duì)于外界條件變化引起的參數(shù)攝動(dòng)具有很強(qiáng)的免疫力。于是將控制器設(shè)計(jì)為：

T_w＝-(K+φ)X (9)

其中K＝[k₁ k₂ k₃ k₄]，φ＝[φ₁ φ₂ φ₃ φ₄],φ取值是根據(jù)以下公式?jīng)Q定：

滑模參量φ會(huì)根據(jù)實(shí)際采集值與誤差進(jìn)行不斷累加和更新，當(dāng)控制力度不足或過渡時(shí)φ就會(huì)發(fā)生變化增大或減少，從而一直保持控制器輸出最優(yōu)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)的抵抗作用。其中，sign為符號(hào)函數(shù)，γ是自適應(yīng)速率，為常量，實(shí)際調(diào)試中選取合適值；e為角度誤差參數(shù)，采集角度和期望角度的差值。

為了使控制器輸出方程穩(wěn)定，必須符合李雅普諾夫穩(wěn)定性原理，證明如下：

(7)式動(dòng)力學(xué)方程可簡(jiǎn)化為：

將重新設(shè)計(jì)的控制器(9)式代入動(dòng)力學(xué)方程，可以得到：

Y＝C·X (12)

其中v為控制器輸入向量。

定義矩陣P，若存在矩陣Q滿足A^TP+PA＝-Q,PB＝C，C取[0 0 1 1]，這里只要滿足矩陣A是滿秩，就可以證明Q存在。通過Matlab計(jì)算出r(A)＝4。

由此可見矩陣A為滿秩矩陣。然后構(gòu)造能量函數(shù)：

對(duì)V求導(dǎo)并代入(11)式與(13)式可得：

由此證明了該控制器滿足李雅普諾夫穩(wěn)定性原理。

通過上述技術(shù)方案，顯著提高了自適應(yīng)能力，但對(duì)在使用過程中的長(zhǎng)期變化會(huì)每次都重新匹配，比如兩輪自平衡機(jī)器人的機(jī)械特性或人為的操作習(xí)慣，無法智能匹配。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明根據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)的理論，對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人的控制器進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化使其能夠適應(yīng)人的各種習(xí)慣，在滑模自適應(yīng)控制器中設(shè)置機(jī)器學(xué)習(xí)表(Map)，機(jī)器學(xué)習(xí)表(Map)是在出廠時(shí)根據(jù)運(yùn)行環(huán)境和駕駛習(xí)慣針對(duì)各種輸入的角度參量θ和角速度調(diào)試出來的一張參數(shù)表，在實(shí)際運(yùn)行中，能夠根據(jù)輸入的角度參量θ和角速度在Map表中查找所對(duì)應(yīng)的參數(shù)值，從而能夠調(diào)節(jié)輸出電壓T_w。

在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，滑模自適應(yīng)控制器還包括機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，機(jī)器學(xué)習(xí)模塊用于根據(jù)輸入的角度參量θ和角速度更新機(jī)器學(xué)習(xí)表(Map)，從而使機(jī)器學(xué)習(xí)表(Map)中的參數(shù)始終保持最優(yōu)值，從而能夠適應(yīng)人的各種習(xí)慣。

由此，控制器的輸出方程如下：

T_w＝-(K+φ)X+Map(X) (16)

式(16)是在(9)式控制器輸出方程的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，其中Map(X)是通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)控制器進(jìn)行優(yōu)化的參數(shù)表。該優(yōu)化主要針對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人系統(tǒng)在實(shí)際情況中的非線性因素，例如人的主觀控制，從而改善駕駛操控。

該控制器前段已在之前通過穩(wěn)定性證明，只需要證明后端，定義能量函數(shù)：

求導(dǎo)后得到：

其中X_b＝Y(jié)＝CX

使用梯度優(yōu)化法?。?/p>

這里ρ為梯度法步進(jìn)，可以使當(dāng)e＝0是取“＝”。

Map本質(zhì)上是一張查找表，該方法會(huì)對(duì)每一個(gè)X根據(jù)誤差和能量進(jìn)行單獨(dú)修正，從而使控制器在運(yùn)行時(shí)能量|L|能夠收斂到區(qū)間(v_min，v_max)內(nèi)從而使控制不會(huì)產(chǎn)生過渡響應(yīng)，實(shí)際調(diào)試中在平衡車加速和減速時(shí)，由于加速和減速不平滑因此會(huì)產(chǎn)生較大的|L|該方法，該方法使直立車加減速平滑化，給人一種比較柔和的感覺尤其是在起步和停車過程中，這種感覺會(huì)更加明顯。

為了增強(qiáng)兩輪自平衡機(jī)器人的安全性和性能，對(duì)兩輪自平衡機(jī)器人的執(zhí)行器無刷電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化在平衡車角度小于5度時(shí)，對(duì)電壓的控制可以近似等效為力矩控制，而無刷電機(jī)輸出的力矩正比于電流，因此何以得到:

參見圖4，所示為無刷電機(jī)等效模型圖，無刷電機(jī)是兩輪自平衡機(jī)器人最核心的執(zhí)行器，兩輪自平衡機(jī)器人性能的好壞取決于執(zhí)行器控制的性能，所以為了得到優(yōu)越的性能，本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)直流無刷電機(jī)作為兩輪自平衡機(jī)器人的執(zhí)行器，并且對(duì)直流無刷電機(jī)的模型進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出滿足本設(shè)計(jì)兩輪自平衡機(jī)器人自平衡要求的無刷電機(jī)控制器。

直流無刷電機(jī)有三個(gè)相位，每個(gè)相位相差120電角度，其中每個(gè)相位都可以看作是一個(gè)有刷電機(jī)。因此可以將一個(gè)直流無刷電機(jī)等效為一個(gè)有刷電機(jī)。其中，具體參數(shù)如下：

Ua：電機(jī)兩端電壓(V)；

La：電機(jī)電樞電感(H)；

Te：電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩(N*m)；

B：粘性摩擦系數(shù)(N*m*s)；

w：電機(jī)轉(zhuǎn)速(rad/s)；

Ra：電機(jī)電樞電阻(歐)；

Ea：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(V)；

ia：流過電樞的電流(A)；

參見圖5，所示為無刷電機(jī)電流環(huán)模型框圖，主要由電流環(huán)自抗擾控制器、PWM逆變器、電機(jī)電樞和濾波器。其中電樞與濾波器是電機(jī)系統(tǒng)的硬件部分。PWM逆變器是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置對(duì)無刷電機(jī)控制線進(jìn)行輸出邏輯分配。電流環(huán)自抗擾控制器根據(jù)電流采集值的最優(yōu)估計(jì)值和電流期望值計(jì)算出電機(jī)的最優(yōu)輸出電壓，從而控制無刷電機(jī)。

以下詳細(xì)說明電流環(huán)自抗擾控制器的設(shè)計(jì)原理以及推導(dǎo)證明，根據(jù)無刷電機(jī)電流環(huán)模型框圖，圖中的電流環(huán)部分可以推算出從Ua到ia的系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

于是就可以得到ia的微分方程：

考慮到動(dòng)力學(xué)模型中存在一些不確定因素d(t)，該信號(hào)主要在直流無刷電機(jī)在霍爾換相時(shí)產(chǎn)生，對(duì)于無刷電機(jī)這些不確定因素在一定程度上會(huì)影響系統(tǒng)輸出，于是將d(t)加入到微分方程中，上述公式可以重新改寫成：

利用自抗擾技術(shù)加入過渡過程于是上述公式可改寫為：

其中b0為擾動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)，另f(x)＝x₄可以得到：

其中該狀態(tài)方程可簡(jiǎn)寫為：

y＝C·X

其中C＝[1 0 0 0],

設(shè)計(jì)z1,z2,z3,z4分別為x1,x2,x3,x4的觀測(cè)值，于是兩輪自平衡機(jī)器人上的直流無刷電機(jī)電流環(huán)擴(kuò)張觀測(cè)器可以被設(shè)計(jì)為以下形式：

這里β₁,β₂,β₃,β₄是根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)的特征方程:

λ(s)＝s⁴+β₁·s³+β₂·s²+β₃·s+β₄＝(s+w₀)⁴ (28)

取w₀＞0，并且滿足β₁＝4w₀,β₂＝6w₀²,β₃＝4w₀³,β₄＝w₀⁴只要取足夠大適合的w₀，觀測(cè)系統(tǒng)就能夠很快的穩(wěn)定并且快速收斂。

接下來就是設(shè)計(jì)電流環(huán)自抗擾控制器，于是對(duì)控制模型進(jìn)行擾動(dòng)補(bǔ)償可以表示為：

代入到過渡過程中(24)式另于是可以對(duì)進(jìn)行非線性組合便可以設(shè)計(jì)出電流環(huán)自抗擾控制器：

其中，z₁、z₂、z₃是x的觀測(cè)值，x為反應(yīng)電機(jī)電流ia的參量。

在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，主控芯片獲取角速度信號(hào)和加速度信號(hào)，通過IMU算法計(jì)算出4元數(shù)，再通過4元數(shù)還原出三個(gè)方位的歐拉角。從而計(jì)算得到角度參量θ和角速度

參見圖6，所述為本發(fā)明兩輪自平衡機(jī)器人的系統(tǒng)執(zhí)行流程圖，通過傳感器模塊獲取兩輪自平衡機(jī)器人姿態(tài)，通過轉(zhuǎn)向桿上的線性霍爾傳感器獲取轉(zhuǎn)向期望信號(hào)，然后通過DSP芯片進(jìn)行運(yùn)算處理，分別計(jì)算出兩只無刷電機(jī)的控制量，從而實(shí)現(xiàn)自平衡。在此同時(shí)本發(fā)明還將一些系統(tǒng)參數(shù)通過通訊模塊發(fā)送出去，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與觀測(cè)。

該系統(tǒng)在開始執(zhí)行后首先進(jìn)行初始化，然后分兩條不同頻率的任務(wù)，一條是方向控制，執(zhí)行周期為20ms；另一條為本發(fā)明的平衡控制，執(zhí)行周期為5ms。其中平衡控制首先通過傳感器(陀螺儀和加速度計(jì))采集角速度信號(hào)和加速度信號(hào)，然后通過姿態(tài)計(jì)算計(jì)算出兩輪平衡車角度，然后根據(jù)角度計(jì)算出自適應(yīng)律，并通過自適應(yīng)控制器計(jì)算出自適應(yīng)控制輸出，接著根據(jù)Map查找出最優(yōu)的Map輸出，然后根據(jù)采集到的信號(hào)更新Map庫，再將Map輸出與自適應(yīng)輸出進(jìn)行疊加從而計(jì)算出平衡控制輸出電機(jī)扭矩參數(shù)給電流環(huán)自抗擾控制器，最后將直立控制和方向控制的控制輸出進(jìn)行疊加然后濾波從而控制電機(jī)輸出。由于增加電流環(huán)控制，從而有效控制驅(qū)動(dòng)電流大小，不會(huì)產(chǎn)生大電流從而保護(hù)了無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大大提高平衡車壽命和安全性使用。，

參見圖7，所示為仿真運(yùn)行一段時(shí)間后地機(jī)器學(xué)習(xí)庫的狀態(tài)圖，其中仿真條件是在其輸入信號(hào)加載峰峰值為1頻率為3kHz的g高頻擾動(dòng)和幅度為0.01的噪聲信號(hào)。在運(yùn)行一段時(shí)間后，其運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的每個(gè)角度與角速度狀態(tài)都經(jīng)過機(jī)器學(xué)習(xí)、更新演化出如圖6所示的機(jī)器學(xué)習(xí)Map表，可以看出在經(jīng)機(jī)器學(xué)習(xí)以后，Map表對(duì)改機(jī)器學(xué)習(xí)的高頻擾動(dòng)和噪聲信號(hào)的反應(yīng)更為均勻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

參見圖8，所示為本發(fā)明在輸入信號(hào)加載峰峰值為1頻率為3kHz的g高頻擾動(dòng)和幅度為0.01的噪聲信號(hào)仿真時(shí)的角度誤差變化曲線，圖9為在同樣仿真條件下移除機(jī)器學(xué)習(xí)功能時(shí)的角度誤差變化曲線，圖10為在同樣仿真條件下傳統(tǒng)PID算法的角度誤差變化曲線。從圖8，圖9和圖10的仿真結(jié)果對(duì)比可以很明顯的發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的性能明顯要優(yōu)于傳統(tǒng)PID算法，從圖8和圖9的對(duì)比，可以清楚的算出本發(fā)明中的機(jī)器學(xué)習(xí)模塊可以對(duì)與控制中的細(xì)節(jié)部分進(jìn)行進(jìn)一步地改善從而增強(qiáng)了本發(fā)明的自適應(yīng)控制性能。

參見圖11與圖12為本發(fā)明無刷電機(jī)自抗擾電流控制實(shí)測(cè)效果圖，該效果圖是在實(shí)際調(diào)試中獲取，并且去期望電流輸入為模擬地直立控制輸出，在圖11中左側(cè)為擴(kuò)張觀測(cè)器觀測(cè)電流跟蹤曲線，實(shí)線為觀測(cè)電流，虛線為期望電流，右側(cè)為實(shí)測(cè)電流跟蹤曲線，實(shí)線為實(shí)測(cè)電流，虛線為期望電流。在圖12中左側(cè)為擴(kuò)張觀測(cè)器觀測(cè)電流與期望電流的誤差圖，右側(cè)為實(shí)測(cè)電流與期望電流誤差圖。由這兩圖可以看出本發(fā)明對(duì)無刷電機(jī)使用自抗擾技術(shù)能夠有效控制無刷電機(jī)的輸出力矩，并且其自抗擾技術(shù)中的擴(kuò)張觀測(cè)器使得其有效抑制了無刷電機(jī)在霍爾換相時(shí)產(chǎn)生的電流擾動(dòng)對(duì)無刷電機(jī)控制的影響，從而達(dá)到本發(fā)明在執(zhí)行器部分的良好性能。同時(shí)本發(fā)明的執(zhí)行器使用電流環(huán)控制能夠有效抑制執(zhí)行器輸出過大電流，從而保護(hù)了驅(qū)動(dòng)電路不至于過流而損壞也保證了本發(fā)明兩輪自平衡機(jī)器人的安全性。

以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本發(fā)明中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本發(fā)明所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本發(fā)明所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。