一种实现变速平衡控制的无人驾驶自行车制造技术

一种能够实现变速平衡控制的无人驾驶自行车，包括硬件结构和控制系统。通过对自行车硬件结构改进，增加了速度传感器、角度传感器、车把转向电机、后轮驱动电机、刹车电机以及控制器，设计出了全新的变速控制系统结构，该控制系统包括转向控制器模块、速度融合及参数切换模块、刹车模块和保护模块，可以根据采集到的自行车车身姿态以及车速信息，控制自行车的车把转向、后轮转动以及刹车力度大小，从而实现自行车在变速过程中的平衡及转向功能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无人驾驶自行车领域，特别地，涉及一种能够实现灵变速平衡控制的无人驾驶自行车。
技术介绍
与无人驾驶汽车相比，无人驾驶自行车具有价格低廉、轻巧便携、灵活机动、环保节能等优点。与此同时，相对于汽车的四轮结构，自行车的两轮结构稳定性差，需要加入额外的控制才能维持平衡。目前现有技术中维持平衡最常见和有效的方式为模仿骑车人驾驶自行车时利用操控车把的转向以控制自行车倾斜角，从而实现平衡和转向，该方法具有能量消耗低、响应速度快的特点，但该方法的原理只能保证自行车在具有一定车速下的平衡。现有技术中已实现了在车速恒定下的平衡和转向，但尚未实现无人驾驶自行车的灵活变速。实际上，无人驾驶自行车的运行环境复杂，需要具有加速和减速功能应对路面的突发情况，也更符合实际驾驶环境。实际上，自行车的变速平衡控制存在很大的难度：首先，自行车的动力学是一个复杂的非线性，模型简化后，可以发现自行车的模型会随着车速发生改变，自行车的变速控制问题是变参数控制问题，自行车的控制参数需要和当前车速相匹配才能保证平衡，这也是自行车变速平衡控制的难点；其次，在变速过程中，车速的测量存在很大的噪声，传感器误差、路面变化、后轮腾空等都会带来噪声，噪声的引入使得自行车系统难以稳定。基于上述问题，本专利技术提出一种能够实现变速平衡控制的无人驾驶自行车。通过对自行车的硬件进行改装，设计出全新的变速控制系统结构，该控制系统可以根据采集到的自行车车身姿态以及车速信息，控制自行车的车把转向、后轮转动以及刹车力度大小，从而实现自行车在变速过程中的平衡及转向功能。在运行过程中，无人驾驶自行车能在一定速度范围内灵活变速，期间自行车仍能够保持稳定以及实现转向。本专利技术填补了无人驾驶自行车在变速平衡控制领域的空白。
技术实现思路
本专利技术的一种实现变速平衡控制的无人驾驶自行车，包括硬件结构和变速控制系统，所述硬件结构包括车身、速度传感器、角度传感器、车把转向电机、后轮驱动电机、刹车电机以及控制器，所述变速控制系统为基于速度分段的变速控制系统，包括转向控制器模块、速度融合及参数切换模块、刹车模块和保护模块，所述速度传感器采用辐条计数或者霍尔传感原理测量后轮的转速；所述角度传感器通过测量自行车车身的姿态，得到车身倾斜角及角速度；所述车把转向电机采用位置模式控制电机，通过驱动车把转动角度，实现自行车平衡；所述后轮驱动电机采用力矩模式控制电机，通过驱动后轮转动以提供自行车前进的动力；所述刹车电机采用位置模式控制电机，通过利用电机改变刹车闸线的长度实现不同力度的刹车；所述控制器通过处理传感器的信号和控制电机的输入信号，实现控制算法；所述转向控制器模块基于自行车的动力学，自行车的简化系统传递函数为：其中，为自行车的车身倾斜角，δ为自行车的车把转动角，a为自行车重心与后轮落地点的水平距离，h为车身无倾斜时自行车重心到地面的距离，λ为自行车的前叉角，Vx为自行车后轮的车速，c为自行车拖尾，b为自行车轴距，g为重力加速度，s拉普拉斯算子；所述速度融合及参数切换模块特征是：预测动态速度，根据后轮电机的输出力矩预测自行车的动态车速Vd，函数表达式满足一阶惯性环节，为其中τd为后轮电机的输出力矩，参数C1,C2,C3随着路面阻力的大小不同而不同，需要使自行车在平坦路面上运行，通过改变后轮电机的输出力矩，并记录车速的变化，利用得到的实验数据对两者的动态关系进行拟合，得到参数C1,C2,C3；b.速度融合，由于后轮电机的输出力矩人为控制可以做到较为平滑，则预测动态车速Vd相对平滑，但是预测的动态车速Vd误差较大，而实际测量的车速误差较小，但是噪声大，波动剧烈，对预测的动态车速Vd和测量车速Vl进行融合可以弥补各自的缺点，得到更为准确和平滑的车速Vf；c.建立控制参数切换表，控制参数K1、K2、K3需要和当前车速相匹配以保证自行车的平衡，采用速度分段方法进行控制参数随车速切换，即对车速进行分段，每一小段速度区间对应一组控制参数；所述刹车模块根据当前后轮电机的输出力矩和车速大小，进行判断实现自主刹车：a.预测稳态速度，根据无刹车情况下拟合得到车速和后轮电机的输出力矩τd的稳态关系判断当前输出力矩下的目标稳态车速Vs，其中参数C4和C1,C2,C3一样通过实验数据拟合得到；b.刹车角度函数，当前融合车速Vf和当前输出力矩下的目标稳态车速Vs的差值记为根据的大小判断是否需要刹车，当前融合车速比目标稳态速度大的越多，所需的刹车力度越大，加快减速过程，为了避免刹车闸线的来回变化，将刹车动作分为若干档。所述转向控制器模块的具体结构为：a.加入目标车身倾斜角代表转向指令，该指令是给外界控制自行车的运行提供的接口，以实现自行车的左转、右转和直行的功能；b.加入对车身倾斜角和角速度的反馈，目的是自行车的车身倾斜角和角速度状态分别趋近于和0，反馈系数分别是K1，K2，反馈系数选择的目标是使车身倾斜角尽快到达目标倾斜角的位置，并且超调量和振荡较小；c.加入对目标倾斜角的前馈，利用车身倾斜角和车把转动角度的静态关系，直接对车把转动角度进行补偿，加快了车把转动的响应速度，实现自行车的灵活且迅速的转向功能，前馈系数K3，K3的取值为K3＝1/K0，其中利用内插法快速建立控制参数切换表的调试方法，其调试步骤如下：a.标定高中低三档速度下的控制参数，在平坦路面上调整后轮电机的输出力矩，使自行车在标定速度附近运行，并根据实验现象调整K1、K2，使自行车转向过程中的车身倾斜角尽快趋于稳定、且超调量较小；b.利用插值法得到中间速度的控制参数，由于K3的取值直接根据K3＝1/K0得到，只需要考虑K1、K2的取值，采用反比例函数对步骤a中三档速度下对应的K1和K2进行数值拟合，对标定速度进行插值得到标定速度下的K1和K2；c.速度区间的划分，以相邻标定速度的平均值作为区间的分界线，选择距离当前融合速度最近的标定速度对应的参数为转向控制器的控制参数。将所述基于速度分段的变速控制系统替换为基于神经网络的变速控制系统，所述基于神经网络的变速控制系统的样本来源于所述基于速度分段的变速控制系统的实验数据，神经网络代替与车把转向角度输出相关的部分，车身倾斜角及其角速度、目标倾斜角、后轮目标输出力矩和测量车速作为网络输入，车把转动角度作为网络输出，其余部分不变。本专利技术的无人驾驶自行车，可以实现以下的技术效果：本专利技术采用3个电机分别控制车把转向、后轮驱动和刹车，转向电机采用位置模式控制，相比力矩、速度模式，位置模式响应速度快；本专利技术根据自行车的车身倾斜角及角速度信息控制自行车的车把转向角输出，控制参数包含反馈系数K1、K2和前馈系数K3，根据自行车的近似动力学模型设计转向控制器，其中前馈的加入使自行车车把迅速达到目标位置，加快了系统的响应速度，能够实现更为灵活的转向；本专利技术预先测量拟合得到的车速和后轮电机输出力矩的动态关系，预估自行车的动态车速，动态车速波动较小，偏差较大，而测量的车速波动较大，偏差较小，对两者进行融合以得到更平稳的车速，利用较为平稳的车速进行控制参数切换有助于增强系统的稳定性；本专利技术提供了一种快速有效的控制参数切换表的建立方法，先标定高中低3档速度对应的控制参数，然后对其中的部分控制参数和速度的关系进行反比例函数拟合，利用速度插本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现变速平衡控制的无人驾驶自行车，包括硬件结构和变速控制系统，所述硬件结构包括车身(1)、速度传感器(2)、角度传感器(3)、车把转向电机(4)、后轮驱动电机(5)、刹车电机(6)以及控制器(7)，所述变速控制系统为基于速度分段的变速控制系统，包括转向控制器模块、速度融合及参数切换模块、刹车模块和保护模块，其特征在于：所述速度传感器(2)采用辐条计数或者霍尔传感原理测量后轮的转速；所述角度传感器(3)通过测量自行车车身的姿态，得到车身倾斜角及角速度；所述车把转向电机(4)采用位置模式控制电机，通过驱动车把转动角度，实现自行车平衡；所述后轮驱动电机(5)采用力矩模式控制电机，通过驱动后轮转动以提供自行车前进的动力；所述刹车电机(6)采用位置模式控制电机，通过利用电机改变刹车闸线的长度实现不同力度的刹车；所述控制器(7)通过处理传感器的信号和控制电机的输入信号，实现控制算法；所述转向控制器模块基于自行车的动力学，自行车的简化系统传递函数为：其中，为自行车的车身倾斜角，δ为自行车的车把转动角，a为自行车重心与后轮落地点的水平距离，h为车身无倾斜时自行车重心到地面的距离，λ为自行车的前叉角，Vx为自行车后轮的车速，c为自行车拖尾，b为自行车轴距，g为重力加速度，s拉普拉斯算子；所述速度融合及参数切换模块特征是：a.预测动态速度，根据后轮电机的输出力矩预测自行车的动态车速Vd，函数表达式满足一阶惯性环节，为其中τd为后轮电机的输出力矩，参数C1,C2,C3随着路面阻力的大小不同而不同，需要使自行车在平坦路面上运行，通过改变后轮电机的输出力矩，并记录车速的变化，利用得到的实验数据对两者的动态关系进行拟合，得到参数C1,C2,C3；b.速度融合，由于后轮电机的输出力矩人为控制可以做到较为平滑，则预测动态车速Vd相对平滑，但是预测的动态车速Vd误差较大，而实际测量的车速误差较小，但是噪声大，波动剧烈，对预测的动态车速Vd和测量车速V1进行融合可以弥补各自的缺点，得到更为准确和平滑的车速Vf；c.建立控制参数切换表，控制参数K1、K2、K3需要和当前车速相匹配以保证自行车的平衡，采用速度分段方法进行控制参数随车速切换，即对车速进行分段，每一小段速度区间对应一组控制参数；所述刹车模块根据当前后轮电机的输出力矩和车速大小，进行判断实现自主刹车：a.预测稳态速度，根据无刹车情况下拟合得到车速和后轮电机的输出力矩τd的稳态关系判断当前输出力矩下的目标稳态车速Vs，其中参数C4和C1,C2,C3一样通过实验数据拟合得到；b.刹车角度函数，当前融合车速Vf和当前输出力矩下的目标稳态车速Vs的差值记为根据的大小判断是否需要刹车，当前融合车速比目标稳态速度大的越多，所需的刹车力度越大，加快减速过程，为了避免刹车闸线的来回变化，将刹车动作分为若干档。...

【技术特征摘要】
1.一种实现变速平衡控制的无人驾驶自行车，包括硬件结构和变速控制系统，所述硬件结构包括车身(1)、速度传感器(2)、角度传感器(3)、车把转向电机(4)、后轮驱动电机(5)、刹车电机(6)以及控制器(7)，所述变速控制系统为基于速度分段的变速控制系统，包括转向控制器模块、速度融合及参数切换模块、刹车模块和保护模块，其特征在于：所述速度传感器(2)采用辐条计数或者霍尔传感原理测量后轮的转速；所述角度传感器(3)通过测量自行车车身的姿态，得到车身倾斜角及角速度；所述车把转向电机(4)采用位置模式控制电机，通过驱动车把转动角度，实现自行车平衡；所述后轮驱动电机(5)采用力矩模式控制电机，通过驱动后轮转动以提供自行车前进的动力；所述刹车电机(6)采用位置模式控制电机，通过利用电机改变刹车闸线的长度实现不同力度的刹车；所述控制器(7)通过处理传感器的信号和控制电机的输入信号，实现控制算法；所述转向控制器模块基于自行车的动力学，自行车的简化系统传递函数为：其中，为自行车的车身倾斜角，δ为自行车的车把转动角，a为自行车重心与后轮落地点的水平距离，h为车身无倾斜时自行车重心到地面的距离，λ为自行车的前叉角，Vx为自行车后轮的车速，c为自行车拖尾，b为自行车轴距，g为重力加速度，s拉普拉斯算子；所述速度融合及参数切换模块特征是：a.预测动态速度，根据后轮电机的输出力矩预测自行车的动态车速Vd，函数表达式满足一阶惯性环节，为其中τd为后轮电机的输出力矩，参数C1,C2,C3随着路面阻力的大小不同而不同，需要使自行车在平坦路面上运行，通过改变后轮电机的输出力矩，并记录车速的变化，利用得到的实验数据对两者的动态关系进行拟合，得到参数C1,C2,C3；b.速度融合，由于后轮电机的输出力矩人为控制可以做到较为平滑，则预测动态车速Vd相对平滑，但是预测的动态车速Vd误差较大，而实际测量的车速误差较小，但是噪声大，波动剧烈，对预测的动态车速Vd和测量车速V1进行融合可以弥补各自的缺点，得到更为准确和平滑的车速Vf；c.建立控制参数切换表，控制参数K1、K2、K3需要和当前车速相匹配以保证自行车的平衡，采用速度分段方法进行控制参数随车速切换，即对车速进行分段，每一小段速度区间对应一组控制参数；所述刹车模块根据当前后轮电机的输出力矩和车速大小，进行判断实现自主刹车：a.预测稳态...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明国，何家瑞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11