一种基于无人自行车的切换PID控制方法、系统及仿真方法与流程

技术特征：
1.一种基于无人自行车的切换pid控制方法，其特征在于，包括：构建无人自行车的动力学模型，获取无人自行车车体的倾斜角和倾斜角速度；对获取的倾斜角和倾斜角速度数据进行处理，生成相应的控制指令；基于对应的控制指令，使车体倾斜角速度为零；基于对应的控制指令，使车体倾斜角恢复为零，实现平衡姿态。2.根据权利要求1所述的基于无人自行车的切换pid控制方法，其特征在于，所述构建无人自行车的动力学模型，获取无人自行车车体的倾斜角和倾斜角速度，具体包括：采用无人自行车的前轮摆角产生的扭转力矩来维持受到扰动后自行车车体的平衡；构建无人自行车前轮的动能表达式，如下：上式中，m
q
表示自行车前轮质量，v
q
表示前轮质心随车把转动轴线转动的速度，j1表示车把转动带动前轮旋转的转动惯量，α表示车把向车体倾倒的方向转动角度，j2表示车体倾斜使前轮侧向倾倒的转动惯量，β表示车体受到扰动后偏离铅直方向的角度，j3表示前轮向前滚动的转动惯量，r
q
表示前轮半径，v0表示前轮绕质心向前滚动的前进速度；基于第2类拉格朗日方程：上式中，l＝t-v，m为施加力矩，使车把相对车体产生相应的转角；令无人自行车的状态变量为x1＝α，x2＝α，x3＝β，x4＝β，控制量u＝m，则可得无人自行车的动力学模型如下：输出方程：y＝β＝x3。3.根据权利要求1所述的基于无人自行车的切换pid控制方法，其特征在于，所述对获取的倾斜角和倾斜角速度数据进行处理，生成相应的控制指令，具体包括：
采用滤波算法，对获取的倾斜角和倾斜角速度数据进行处理，生成相应的控制指令。4.根据权利要求1所述的基于无人自行车的切换pid控制方法，其特征在于，所述基于对应的控制指令，使车体倾斜角速度为零，具体包括：根据倾斜角速度调整车把转角，使车体倾斜角速度为零。5.根据权利要求1所述的基于无人自行车的切换pid控制方法，其特征在于，所述基于对应的控制指令，使车体倾斜角恢复为零，实现平衡姿态，具体包括：根据倾斜角反向转动车把，使车体倾斜角恢复为零，实现平衡姿态。6.一种基于上述权利要求1-5中任意一项权利要求所述基于无人自行车的切换pid控制方法的控制系统，其特征在于，包括：传感器、控制器、第一执行单元以及第二执行单元；其中：所述传感器，用于获取无人自行车车体的倾斜角和倾斜角速度；所述控制器，采用滤波算法，对获取的倾斜角和倾斜角速度数据进行处理，生成相应的控制指令；所述第一执行单元，基于对应的控制指令，根据倾斜角速度调整车把转角，使车体倾斜角速度为零；所述第二执行单元，基于对应的控制指令，根据倾斜角反向转动车把，使车体倾斜角恢复为零，实现平衡姿态。7.一种基于权利要求6所述控制系统的仿真方法，其特征在于，包括：s1、给无人自行车的动力学模型施加脉冲激励，获得自行车本体的开环的脉冲响应；s2、整定第一执行单元的参数，使第一执行单元对车体倾斜角速度的调节具有好的快速性；s3、整定第二执行单元的参数，使第二执行单元对车体倾斜角的调节具有小的超调量；s4、利用典型信号验证控制器的切换功能；s5、对闭环系统施加脉冲扰动，获得控制系统的闭环响应。

技术总结
本发明提供一种基于无人自行车的切换PID控制方法、系统及仿真方法。本发明方法，包括构建无人自行车的动力学模型，获取无人自行车车体的倾斜角和倾斜角速度；对获取的倾斜角和倾斜角速度数据进行处理，生成相应的控制指令；基于对应的控制指令，使车体倾斜角速度为零；基于对应的控制指令，使车体倾斜角恢复为零，实现平衡姿态。本发明通过两个PID控制器的切换来实现无人自行车的平衡控制。本发明还进行了仿真和样机实验，仿真和样机实验结果表明了本发明方法的有效性和工程实用性，能够为无人自行车自平衡控制的工程实现提供参考，同时，本发明方法还能够通过改进控制器的切换规则，提高无人自行车控制系统的快速性。提高无人自行车控制系统的快速性。提高无人自行车控制系统的快速性。


技术研发人员：范颖芳 董汶龙 于子明
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2021.12.02
技术公布日：2022/2/8