用于主从跟随的自平衡两轮车集成控制系统的制作方法

本发明涉及控制，具体为用于主从跟随的自平衡两轮车集成控制系统。

背景技术：

1、随着短途交通与商业物流的发展，自平衡两轮车在家庭及商业伴随场景中的编队应用日益增多。这种应用模式通常由一辆具有机动性的载人主车引导多辆从车进行协同运动，要求系统在复杂环境下不仅能维持编队队形，还需兼顾各车辆的负载运输与行驶安全。

2、现有的用于主从跟随的控制技术，主要依赖视觉或超宽带传感器实时检测主车的相对位置与距离，采用基于位置误差反馈的反应式跟随策略。从车在监测到主车产生位移或速度偏差后，通过pid等控制算法驱动车轮加速或转向，以消除与主车之间的空间误差，这种方式在匀速或低速稳态行驶中应用较为普遍。

3、然而，由于自平衡两轮车具有非最小相位特性，需先改变车身姿态才能产生加速度。传统的反应式控制缺乏对骑行者行为意图的感知能力，无法实现对主车加速度变化的提前预判，导致从车在姿态调节上始终存在相位滞后，在主车进行急加速或快速转向时极易丢失目标。此外，现有技术通常未考虑从车在不同载重下的动力学极限，盲目复现主车动作容易导致从车超出稳定性边界而发生侧翻，或因转弯半径过大脱离通信范围，难以满足主从跟随的自平衡两轮车集成控制对高动态协同与主动安全的要求。

4、因此，本发明提出用于主从跟随的自平衡两轮车集成控制系统，来解决现有技术的不足。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了用于主从跟随的自平衡两轮车集成控制系统，解决了现有技术因缺乏对主车骑行者意图的感知预判且未考量从车动力学极限，导致从车在跟随过程中姿态响应滞后、易发生侧翻失稳以及脱离通信覆盖范围的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：用于主从跟随的自平衡两轮车集成控制系统，包括：主车控制端、从车控制端及通信模块；

3、所述主车控制端包括意图解析模块和预测指令生成模块；

4、所述意图解析模块采集骑行者施加于主车的生物力学信号及主车的运动学数据，解析驾驶意图特征并利用所述运动学数据对其进行时域一致性校验，得到经校验有效的驾驶意图特征；所述预测指令生成模块将所述经校验有效的驾驶意图特征映射为含未来时间窗信息的预测控制矢量，经所述通信模块发送至所述从车控制端；

5、所述从车控制端包括包络校验模块和协同跟随执行模块；所述包络校验模块接收所述预测控制矢量，根据从车当前悬挂行程及载重状态估算从车物理载重参数并计算动力学稳定性边界，将所述预测控制矢量与所述动力学稳定性边界比对得到校验结果；所述协同跟随执行模块根据所述校验结果选择策略：所述校验结果未超限时执行姿态同步策略，超限时执行轨迹补偿策略或速度半径耦合调整策略。

6、优选的，所述解析驾驶意图特征并利用所述运动学数据对其进行时域一致性校验，得到经校验有效的驾驶意图特征的步骤包括：

7、所述意图解析模块对采集的座垫压力分布数据及脚踏压力数据进行空间合成处理，计算相对于主车座垫几何中心的压力中心位置变化；

8、结合采集的转向力矩输入，利用多参量融合映射模型将所述压力中心位置变化及所述转向力矩输入转化为表征加减速需求的纵向意图分量和表征转向需求的横向意图分量，作为所述驾驶意图特征；

9、设定校验时间窗，在所述校验时间窗内计算所述纵向意图分量、所述横向意图分量与主车实际纵向加速度、主车实际横滚角速度之间的相关性能量；

10、将所述相关性能量与置信度阈值进行比对，若所述相关性能量大于所述置信度阈值，则判定所述驾驶意图特征有效，得到所述经校验有效的驾驶意图特征。

11、优选的，所述预测指令生成模块将所述经校验有效的驾驶意图特征映射为含未来时间窗信息的预测控制矢量的步骤包括：

12、利用主车动力学响应模型将所述经校验有效的驾驶意图特征中的纵向意图分量及横向意图分量映射为预期加速度和预期路径曲率；

13、计算动作生效的目标时刻，所述目标时刻由当前系统时间、所述通信模块的传输延迟、从车执行机构的机械响应时间以及速度关联的前瞻预测时间叠加得到；

14、确定基于所述通信模块物理特性的通信覆盖半径约束参数；

15、将所述预期加速度、所述预期路径曲率、所述目标时刻及所述通信覆盖半径约束参数封装为所述预测控制矢量。

16、优选的，所述包络校验模块根据从车当前悬挂行程及载重状态估算从车物理载重参数并计算动力学稳定性边界的步骤包括：

17、根据所述从车当前悬挂行程及悬挂弹簧刚度特性，计算从车当前总质量；

18、根据从车空载重心高度、载货区域预设高度及所述从车当前总质量，计算从车当前重心高度；

19、基于所述从车当前重心高度及从车轮距宽度计算抗侧翻横向加速度阈值；

20、构建以纵向加速度和横向加速度为变量的椭圆包络区域作为所述动力学稳定性边界，所述椭圆包络区域的边界由路面摩擦系数对应的纵向加速度极限与所述抗侧翻横向加速度阈值限定。

21、优选的，所述包络校验模块将所述预测控制矢量与所述动力学稳定性边界比对得到校验结果的步骤包括：

22、根据所述预测控制矢量中的预期路径曲率及从车当前行驶速度计算请求横向加速度；

23、判断由所述预测控制矢量中的预期加速度与所述请求横向加速度构成的状态点是否位于所述椭圆包络区域内；

24、若所述状态点位于所述椭圆包络区域内且满足预设安全裕度系数，则判定所述校验结果为未超限；

25、否则判定所述校验结果为超限。

26、优选的，所述协同跟随执行模块执行姿态同步策略的步骤包括：

27、根据所述预测控制矢量中的预期加速度计算抵消纵向惯性力的预设俯仰角，根据所述预测控制矢量中的预期路径曲率及从车当前行驶速度计算抵消离心力的预设侧倾角；

28、生成从当前姿态过渡至所述预设俯仰角及所述预设侧倾角的插值轨迹；驱动所述从车的自平衡机构输出前馈力矩，使从车车身在所述预测控制矢量指定的目标时刻前完成姿态倾斜；

29、驱动所述从车的行驶机构按照所述预期加速度输出驱动扭矩。

30、优选的，当所述校验结果为超限时，所述协同跟随执行模块具体用于为：

31、利用抗侧翻横向加速度阈值及安全裕度系数计算从车当前的最小安全转弯半径；

32、规划曲率对应于所述最小安全转弯半径且外切于主车轨迹的补偿路径；预测从车沿所述补偿路径行驶后的主从车间距；

33、将所述主从车间距与所述预测控制矢量中的通信覆盖半径约束参数进行比对，若所述主从车间距小于或等于所述通信覆盖半径约束参数，则选择执行所述轨迹补偿策略；

34、若所述主从车间距大于所述通信覆盖半径约束参数，则选择执行所述速度半径耦合调整策略。

35、优选的，所述协同跟随执行模块执行轨迹补偿策略的步骤包括：

36、驱动所述从车的行驶机构保持当前速度；

37、驱动所述从车的自平衡机构配合转向，控制从车沿所述补偿路径行驶，形成相对于主车的侧向方位偏移。

38、优选的，所述协同跟随执行模块执行速度半径耦合调整策略的步骤包括：

39、根据所述通信覆盖半径约束参数、所述抗侧翻横向加速度阈值及所述安全裕度系数，反向解算最大允许耦合速度；

40、生成制动指令驱动所述从车的行驶机构减速至所述最大允许耦合速度；

41、生成转向指令驱动所述从车的自平衡机构调整侧倾角，控制从车以所述通信覆盖半径约束参数对应的转弯半径行驶。

42、优选的，所述通信模块用于采用超宽带无线通信协议或wifi直连方式的点对点无线技术在主车控制端与从车控制端之间建立双向数据链路。

43、本发明提供了用于主从跟随的自平衡两轮车集成控制系统。具备以下有益效果：

44、1、本发明通过意图解析模块深度融合骑行者的生物力学信号与运动学数据，构建包含未来时间窗信息的预测控制矢量，在主车端完成人体行为预测并经通信模块下发。该机制使得用于主从跟随的系统能够克服传统反馈控制的相位滞后，让自平衡两轮车在从车端提前预判主车的加速度变化并调节姿态，从而在集成控制层面实现了毫秒级的动作同步，确保了载人主车变重心操作时从车的快速响应。

45、2、本发明通过包络校验模块实时读取悬挂行程以估算物理载重参数，构建动态的动力学稳定性边界，在执行跟随动作前预先判断指令是否超出物理极限。这一设计确保了在主从跟随模式下，不同载重状态的自平衡两轮车能够根据自身能力智能切换策略，当面临侧翻风险时自动执行轨迹补偿以调整相对方位，从而在集成控制体系中构建了主动避险机制，极大提升了多车编队的行驶安全性。

46、3、本发明通过协同跟随执行模块引入通信覆盖半径与动力学边界的双重约束，在预测间距即将超限时触发速度半径耦合调整策略，主动限制从车速度以换取更小的转弯半径。这种方法解决了主从跟随场景中因机动性差异导致的链路中断问题，保证了自平衡两轮车能够始终保持在有效通信范围内，通过精密的集成控制逻辑维持稳定的跟随间距，满足家庭或商业伴随场景下连续、可靠的编队需求。