文档介绍：基于双闭环伺服结构的直立车转向方案设计Design of Erect-car Swerve SchemeBased on Servo Structure of Two Closed Loop丁祖雄,丁吉,余爱民(西华大学,自由男神队)摘要:近年来,随着智能汽车竞赛的发展出现了两轮自平衡竞速小车。两轮自平衡小车具有体积小和运动灵活的特点,应用领域广泛,两轮直立小车的运动控制问题是机器人技术和控制科学研究的重要课题。竞速比赛要求小车能够完成自主平衡、自旋、环绕、寻线、速度控制等多种运动模式,要求鲁棒性好,能应对外部较大的冲击干扰和阶跃扰动。这就要求小车具有性能优异的转向差速系统。本文将从小车转向控制的物理原理出发,引用经典的非线性PID控制器作为闭环控制器,分析双闭环伺服结构的直立车方向控制方案。本文给出了双闭环伺服器的单元结构,另外,笔者完成了直立车的制作,通过实验证实了这种控制器的可行性。关键词:直立车;双闭环;差速;,方向控制主要是由差速系统来完成的。本方案采用双闭环的转向伺服结构,外环-内环结合起来进行差速控制。外环相当于大脑,接收来自传感器传回的道路信息,并将其进行分析整合计算出转向控制量Ut。内环相当于效应器官或动作器官,接收来自外环的控制信号Ut,并计算出电机的控制量Uc,用Uc来控制电机使小车实现转向双闭环。双闭环的伺服结构能够使小车响应迅速,控制精确。在竞速过程中能灵敏迅捷地转过各种角度的弯道,在弯道中实现紧贴内侧过弯,降低了直立车过弯道侧翻的可能性。II. 设计原理在分析直立车转向控制前,先让我们看看直立车在弯道中的运动情况。如图所示,表示小车在弯道中所走出的轨迹,我们可以将弯道看做由半径不同的圆弧连接而成的轨迹,想要控制小车沿着弯道前进,就要控制小车走出半径不同的圆弧,即外环的转向控制量为小车过弯时的走线半径。图1 小车过弯轨迹图接下来分析小车传感器传回的路况信号与弯道圆弧半径之间的数学关系。如图所示,假设小车前瞻长度一定,在半径不同的圆弧弯道上,小车检测出的转向信号是不同的,蓝色线段代表小车检测的转向信号,在半径最小的弯道转向量最大,在半径最大的弯道转向量最小。即转向信号和过弯半径成负相关的关系。图2 转向信号与弯道半径关系综上所述,我们令传感器得到的转向量为外环的输入参数U1,U1与转弯半径R的关系近似地看做:11KUR=其中K1为反比系数。我们知道,在小车作圆周运动的过程中有:VRω=其中ω为小车的转向角速度,V是小车当前速度。将R=1K/1U代入得到:11()U KVω=÷×即11()UKVω=÷÷将角速度W作为外环的输出(内环的输入)Ut,传递给内环。内环通过PID控制器计算出电机的控制量Uc。由上述分析可以得出:本方案给出的双闭环伺服结构的外环为弯道半径R的闭环控制,内环为角速度W的闭环控制。在小车速度一定时,给定一个转向量U1,通过双闭环伺服结构就能够使小车走出固定半径的圆弧。小车的差速控制结构图如下所示。外环PID内环PID模糊推理电机小车模糊推理图3 小车差速控制结构图在实际比赛过程中,由于系统本身、路面等多种外界因素的影响,小车可能会偏离期望的航向和轨迹。为此小车的轮系差动系统引入了如图3所示的模糊PID反馈调节环:外环:111 111( ( ))() () () ()d