1.一种自适应重心调节两轮车平衡控制方法,其特征在于,包括:在两轮车上设置主动式重心控制单元,所述主动式重心控制单元包括配重结构和驱动配重结构倾斜的调节电机;构建基于两轮车和配重结构的仿射非线性动力学模型;基于仿射非线性动力学模型和扰动建立自适应滑模控制器,通过自适应滑模控制器求解仿射非线性动力学模型以输出配重结构的输入力矩;调节电机基于输入力矩驱动配重结构倾斜一定角度,以产生回正力矩使两轮车恢复平衡状态;仿射非线性动力学模型为:其中, 分别表示两轮车和配重结构的质量, 分别表示两轮车和配重结构的长度, 表示两轮车到欠驱动关节的距离, 表示配重结构的重心到驱动关节的距离, 分别表示两轮车和配重结构的转动惯量, 为重力加速度, 是两轮车的侧倾角, 是配重结构相对两轮车转动的角度, 为调节电机的输出力矩, 为模型不确定性扰动, 为外部扰动, 表示两轮车的侧倾角 的等效惯性项, 表示两轮车的侧倾角 与配重结构相对两轮车转动的角度 之间的惯性耦合项, 表示配重结构相对两轮车转动的角度 的等效惯性项, 为两轮车的侧倾角 的重力力矩, 为配重结构相对两轮车转动的角度 的重力力矩, 为车身的科里奥利力和离心力项, 为配重结构的科里奥利力和离心力项、 为车身的侧倾角速度、 为配重结构的角速度、 为车身的侧倾角加速度、 为配重结构的角加速度, 、 、 分别为函数中间变量;建立自适应滑模控制器的方法为:进行全局坐标变换将仿射非线性动力学模型对应的原状态系统经过微分同胚变换转化成新的级联形式系统,获取新的级联形式系统的动力学方程;对新的级联形式系统的动力学方程设计平衡控制器,设置滑模面并基于平衡控制器建立自适应滑模控制器;进行全局坐标变换将仿射非线性动力学模型对应的原状态系统经过微分同胚变换转化成新的系统状态,建立新的级联形式系统的动力学方程的方法为:获取新的系统状态,具体为:其中, 为原系统状态, 为新的级联形式系统状态, 是耦合状态, 是广义动量, 和 分别是配重结构的角度与速度, 是核心变换函数, 为拉格朗日函数,用于描述系统的能量特性,并通过偏导数运算得到系统的动力学特性;获取新的级联形式系统的动力学方程,具体为:其中, 表示广义动量 的重力力矩的负值, 表示配重结构的速度 的综合动态耦合项, 为耦合模型不确定性扰动和外部扰动的总扰动;其中, 为等效质量耦合项。
2. 根据权利要求1所述的自适应重心调节两轮车平衡控制方法,其特征在于,对新的级联形式系统的动力学方程设计平衡控制器,设置滑模面并基于平衡控制器建立自适应滑模控制器的方法具体为:平衡控制器通过平衡点表示,具体为则微分同胚映射之后的新的系统状态的平衡点为:新系统动力学方程满足 可逆,且 有界的条件;设计滑模超平面:其中, 表示两轮车当前侧倾状态与垂直位置的偏差, 表示两轮车当前侧倾方向的动态特性偏差, 表示的非线性特性, 表示 的动态变化率, 分别为 在滑模超平面中的权重系数;根据欠驱动系统的滑模控制器设计方法,设计滑模控制器,系统的输入力矩为:其中, 用于基于模型进行前馈补偿, 用于抵消由于模型不确定性和外部扰动引起的误差, 为常数, 表示模型不确定性扰动 的最大幅值, 表示外部扰动 或耦合扰动的最大幅值, 为滑模增益, 为滑模面。
3.一种自适应重心调节两轮车平衡控制系统,基于权利要求1或2所述的自适应重心调节两轮车平衡控制方法,其特征在于,包括:两轮车平衡模块,用于在两轮车上设置主动式重心控制单元,所述主动式重心控制单元包括配重结构和驱动配重结构倾斜的调节电机;仿射非线性动力学模型模块,用于构建基于两轮车和配重结构的仿射非线性动力学模型;自适应滑模控制器模块,用于基于仿射非线性动力学模型和扰动建立自适应滑模控制器,通过自适应滑模控制器求解仿射非线性动力学模型以输出配重结构的输入力矩;调节模块,用于基于输入力矩通过调节电机驱动配重结构倾斜一定角度以产生回正力矩使两轮车恢复平衡状态。
4.根据权利要求3所述的自适应重心调节两轮车平衡控制系统,其特征在于:所述两轮车平衡模块中,所述两轮车包括第一轮、第二轮和车身,所述第一轮设置在车身前侧,所述第二轮设置在车身后侧,所述第一轮通过第一驱动机构转向,所述第二轮通过第二驱动机构直行,所述配重结构和所述调节电机设置在车身上且设置在第一轮和第二轮之间;所述仿射非线性动力学模型模块用于构建基于车身和配重结构的仿射非线性动力学模型。
5.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1或2所述的自适应重心调节两轮车平衡控制方法。
6.根据权利要求5所述的电子设备,其特征在于:所述处理器选用STM32主控板,搭载IMU传感器进行两轮车姿态识别,IMU传感器通过USART串口与STM32主控板通讯,STM32主控板向主动式重心控制单元的调节电机以及两轮车发送控制信号。
7.一种非暂态计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1或2所述的自适应重心调节两轮车平衡控制方法。