两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法及控制系统与流程

技术特征：

1.一种基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法，其特征在于，所述方法包括：

针对恒质量的两轮小车，通过分析其数学机理，建立两轮小车的数学模型；

分析所述两轮小车的数学模型，确定状态变量，建立系统的状态空间方程；

构建用于观测所述状态变量的动态观测器，依据外部定位系统输出的小车实际位置信息和内部传感器得到的状态变量信息分别求算出车体转向角，计算两个车体转向角之间的偏差，如果偏差值超过预先设定的阈值，则将外部定位系统得到的变量信息作为矫正真值代替动态观测器输出的状态变量信息；

设计PID控制器作为两轮小车控制器，结合LQR最优算法配置PID参数；

所述控制器依据输入的期望值与通过所述动态观测器以及信息融合后得到的实际状态变量信息计算得到相应的状态误差，并依据所述PID参数进行控制调节，最后生成控制输出PWM信号，传至两轮小车的左右车轮驱动电机，实现对目标轨迹的跟踪控制。

2.根据权利要求1所述的基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法，其特征在于，所述状态变量包括：车轮旋转角、车轮旋转角的变化率、车轮旋转角的积分、车体转向角、车体转向角的变化率、车体倾斜角和车体倾斜角的变化率。

3.根据权利要求2所述的基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法，其特征在于，构建用于观测两轮小车的状态变量的动态观测器，包括：

依据针对设备中常见低频扰动，构建7状态动态观测器，其状态空间微分方程的描述为：

式中，分别表示观测器的状态估计和输出估计，所生成的残差信号r(t)为：w(t)为观测器的反馈补偿信号；w(t)采用了一个具有积分过程的动态系统：

作为反馈回路，生成反馈补偿信号v(t)；

上式中，v(t)是新引入的反馈回路状态变量，K1,K2,K3,K4为待设计的实系数增益矩阵；定义状态误差向量e(t)：

构建一个新的状态变量广义比例积分观测器闭环系统用下式描述：

式中，

所述动态观测器的输入为控制器的控制输入和两轮小车实际的输出量，通过配置观测器参数矩阵K1至扰动频率处；通过优化K2、K3、K4参数矩阵构建抑扰动态观测器，对内部传感器直接输出扩维得到的7个状态变量进行降扰优化变量信息。

4.根据权利要求1所述的基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法，其特征在于，结合LQR最优算法配置PID参数，包括：

配置合适的Q阵和R阵，依据LQR算法求取使得输出良好的跟踪输入的状态反馈控制矩阵以及使得二次型目标能量函数取到最小值，得到变量对应的PID参数作为相应的控制器参数；Q阵和R阵分别为状态变量和输入量的权重矩阵。

5.一种基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制系统，其特征在于，所述系统主要包括：

根据权利要求1至4任一项所述的基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法设计的主控制器模块，用于：依据输入的期望值与信息融合模块输入的实际状态变量信息计算得到相应的状态误差，并依据LQR算法得到的PID参数进行控制调节，最后生成控制输出PWM信号，传至两轮小车的左右车轮驱动电机，实现对目标轨迹的跟踪控制；

其中，所述信息融合模块，用于构建用于观测两轮小车的状态变量的动态观测器，依据定位系统输出的小车实际位置信息和内部传感器得到的状态变量信息分别求算出车体转向角，计算两个车体转向角之间的偏差，如果偏差值超过预先设定的阈值，则将定位系统得到的变量信息作为矫正真值代替动态观测器输出的状态变量信息，输出至主控制器模块。

6.根据权利要求5所述的基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制系统，其特征在于，所述动态观测器包括动态反馈回路，所述动态观测器的输入为控制器的控制输入和小车实际的输出量，通过配置观测器参数矩阵K1至扰动频率处、同时通过优化K2、K3、K4参数矩阵构建抑扰动态观测器，对内部传感器直接输出扩维得到的7个状态变量进行降扰优化变量信息。

7.根据权利要求5所述的基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制系统，其特征在于，所述系统还包括：参数配置模块，用于在两种运动模式下，对控制器参数Q阵和R阵进行调试，测试得出针对不同两轮小车的控制参数矩阵和动态观测器的参数矩阵；所述参数配置模块的输出端与主控制器模块的输入端相连。

8.根据权利要求5所述的基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制系统，其特征在于，所述系统还包括：通信模块，所述通信模块包括两个子系统，分别是基于WiFi的控制器与监控计算机的数据交互模块，以及控制器与定位系统的有线无线混合通信模块；所述通信模块的输出端对应信息融合模块的输入端。

技术总结
本发明提供了一种基于信息融合的两轮小车平衡轨迹与跟踪控制器的设计方法以及控制系统，基于两轮小车子系统分别考虑水平方向和竖直方向两个空间自由度，建立两轮小车的线性数学模型，依据建立的两轮小车模型，设计相应的动态观测器对相应变量信息进行扩维并实现对特定频谱扰动的抑扰滤波，同时对内部传感器和外部定位系统的数据进行信息融合，提高状态变量信息的精度，最后结合LQR与PID算法合理设计控制器，得到两轮小车的轨迹跟踪控制系统。这种两轮小车轨迹跟踪控制系统融合了两轮小车内部传感器与外部定位系统的数据信息，降低了对两轮小车传感器的数量需求、提高了轨迹跟踪的精度同时改善了原有单一PID控制器调节时间较长的问题。

技术研发人员：代学武;胡宇翔;高志伟;崔东亮;贾志安;
受保护的技术使用者：东北大学;
技术研发日：2021.07.07
技术公布日：2021.10.01