一种基于干扰观测器的自行车轨迹跟踪滑模控制方法

技术特征：
1.一种基于干扰观测器的自行车轨迹跟踪滑模控制方法，其特征在于，自行车轨迹跟踪终端滑模控制系统包括前轮、车把、后轮、车架和安装于车架中间位置的反作用轮，还包括微控制器、与微控制器分别连接的传感器组和电机部，其中，所述传感器组用于采集自行车的运动参数，该运动参数包括偏航角、反作用轮转速、后轮转速以及把手转向角度；所述电机部包括反作用轮驱动电机、前进电机和转向舵机；基于上述控制系统，控制方法包括以下步骤：s10，添加不同的滑模控制器和参考路径信息；s20，传感器组采集运动参数、位置信息；s30，对运动参数进行整合求差，得到各运动参数的跟踪误差；s40，将跟踪误差带入预设的滑模面内，作用于反作用轮驱动电机、前进电机和转向舵机；s50，判断是否出现饱和溢出的情况，出现异常则结束运行；否则返回s20循环运行。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s10中包括针对自行车模型的平衡驱动方程为：其中，u
σ
为车摆输入力矩、τ
δ
为前叉角度产生的未确定项、u
φ
为反作用轮产生的力矩；通过名义模型将方程修改为：l(t)表示集中不确定干扰，由复杂模型未观测项、外界干扰以及测量误差组成，简单而言，j0为观测的mh2 j1，f
10
(t)为观测的mhσcosθ,f
20
(t)为观测的mhbvcosθ，f
30
(t)为观测的mhbσcosθ，m0为观测的mgh，这样的名义模型中可得，并且并且为一个足够大的正数；表1交代了自行车模型中各个参数的具体意义。前轮相对于自行车正方向的角度记为β，b为后轮到自行车质心的距离，l为后轮到前轮的距离。反作用力轮安装在车身骨架中部，车身外倾角定义为θ，倾角为零时，整体重心离地面的高度为h，在自行车行驶转向时，自行车做类圆周运动，曲率为σ＝1/r，自行车整体在y轴方向的转动惯量为j1，反作用轮的转动惯量为j2，前轮前叉角度η，偏航角ψ，车把转角φ，自行车总体质量m，行驶轨迹δ，前轮前叉角度η，行驶速度v。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述s40中包括反作用轮的电机控制的输出方程由三部分组成：u＝u
eq
u
k
u
sto
(3)其中：其中：其中：
公式中包含两个滑模面，一个为非奇异快速终端滑模面s
*
、一个为特殊设定的积分滑模面s以及自适应函数为：为：为：其中，倾斜角误差e＝θ-θ
d
，θ
d
为期望的倾斜角数值，e0为初始的倾斜角误差值，对于任意转向情况的自行车而言上述控制，都能使得自行车保持稳定平衡；其中参数的选择中，根据不同的车模大小选择不同的参数值，选择限制为λ＞0，2＞γ＞1，k1＞0，k2＞0，α＞0，η＞0，其中，η越大收敛速度越佳。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述s50中包括在路径跟踪策略中，需要对惯性系的跟踪误差转换为参考坐标：参考速度v
d
、参考曲率σ
d
设置为：其中，v
r
为提出参考路径时的参考速度，σ
r
为参考路径中的参考曲率，由公式得出：自行车按照参考速度、参考曲率的情况行驶，跟踪期望的连续曲线路径。自行车的把手控制方面，通过给定舵机参考电流信号便可以控制转向；而速度方面，则需要采用准确控制，才能够使其按照给定轨迹进行跟踪；对此，对自行车动力模型进行建模：由于参数的获取由传感器组直接或间接获取，将动力模型简化名义模型为：其中，m(t)为m mσ2b2，g1(t)为g2(t)为g3(t)为
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述s50中还包括设定预定时间到达的积分终端滑模面s
v
以及自适应预定时间到达的控制律u
v
：：其中，速度跟踪误差e
v
＝v-v
d
,l1＞0、l2＞0、l3＞0、l4＞0，而参数m1,m2,m3,m4的选择需要满足满足其中n1＞1,n3＞1以及1/2＜n2＜1,1/2＜n4＜1。为了简便，也可以将n1＝n3,n2＝n4；无论任何初始状态下，自行车前轮动力控制都能在t＝t1 t2的时间内达到收敛，其中：其中：6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述传感器组包括编码器和运动传感器mpu6050芯片。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微控制器包括stm32f103芯片。

技术总结
本发明公开了一种基于干扰观测器的自行车轨迹跟踪滑模控制方法，包括S10，添加不同的滑模控制器和期望路径信息；S20，传感器组采集运动参数；S30，对运动参数进行整合求差，得到各运动参数的跟踪误差；S40，将跟踪误差带入预设的滑模面内，作用于反作用轮驱动电机、前进电机和转向舵机；S50，判断是否出现饱和溢出的情况，出现异常则结束运行；否则返回S20循环运行。本发明控制自行车的车把以及后轮驱动力，通过变换的坐标系作为参考误差，采用稳定收敛的趋近律获得参考转向和参考速度。以预定时间内到达的终端滑模设计来控制后轮驱动力来跟进期望速度，最终实现整体基于自行车架构的轨迹跟踪方法。迹跟踪方法。迹跟踪方法。


技术研发人员：陈龙 徐溢鸿 颜斌 马学条 郑雪峰
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2022.09.06
技术公布日：2022/12/5