[0033] 参见图1和2展示了本发明反作用轮平衡自行车机器人的系统结构模型。其中，图1为控制系统结构框图，可以看到反作用轮平衡自行车机器人控制系统主要由主控芯片，通讯子系统，转向子系统，前进子系统以及平衡子系统组成。其中通讯子系统包括用于与电脑通讯的串口模块及与手机APP通讯的蓝牙模块，前进子系统和平衡子系统都包括速度编码器和电机，而平衡子系统还包括姿态检测传感器。图2则展示了反作用轮平衡自行车机器人模型。其组成包括一个钢结构的车身。车身中间安装有用于平衡的反作用轮及其驱动的电机。反作用轮驱动电机上部安装有用于转向的舵机，舵机靠两根连接杆来控制前轮转向。前轮与车身的连接用3D打印的连接臂固定。反作用轮后侧是前进驱动电机，它用链条与后轮连接，电机转动待用车辆前进。后轮上方则是车辆供电的锂电池以及主控电路板。
[0034] 本发明的控制系统分为三个部分，包括反作用轮的平衡控制，前进的速度控制，以及转向控制。其中对于反作用轮的平衡控制是本发明的核心部分。
[0035] 参见图3为反作用轮自适应滑模控制方法的流程框图，包括以下步骤：
[0036] 步骤S1：在反作用轮平衡自行车机器人主控芯片中设置用于控制反作用轮平衡输出的控制器。其中控制器的输出方程为：
[0037]
[0038] 其中 为滑模自适应项，其定义为
[0039]
[0040] 步骤S2：通过传感器模块采集自行车机器人的状态，主要是陀螺仪采集倾倒的角速度信号和加速度计采集的加速度信号，其型号为集成陀螺仪和加速度计的MPU6050。然后将两个信号进行滤波和融合最终得到控制器的输入角度参数。
[0041] 步骤S3：自适应滑模控制器获取传入参数后，根据S1中设置的控制方程，计算得到需要的平衡输出力矩，然后通过反作用轮驱动电机转动反作用轮来获得反作用力矩，使自行车保持平衡。这样不断通过反馈角度得到输出，使得自行车机器人可以保持平衡状态。
[0042] 在步骤1中采用的自适应滑模控制器的设计原理如下：
[0043] 从飞轮自行车机器人俯视图可以看到，其结构包括自行车前后轮、车身、车把及用于平衡的飞轮结构。其中β表示自行车前轮相对车身方向延长线的偏转角度。传统的自行保持平衡运动是由自行车前进时车把转动提供的反作用力来维持。而在带有飞轮结构的自行车机器人中，自行车机器人的平衡力矩由飞轮转动产生的反作用力提供。因此，自行车机器人的前轮转动对于整体的平衡就不再提供作用，反而将干扰平衡，所以我们将这个力矩看成对平衡系统的干扰项Fc。而Fc的方向又与前轮转向的速度的方向相关。
[0044] 从飞轮自行车机器人后视图可以看到，自行车机器人运动时受到扰动发生倾斜时的状态。其中 表示自行车机器人相对竖直状态所发生倾斜的角度。对参见图4经行受力分析可知，在水平方向上受到一个重力的水平分量。此外，整个车身可以看作一个以于地面接触点为圆心，以质心高度为半径的转动，因此还有一个转动力矩。
[0045] 根据以上的力学分析可以得到一个自行车平衡力学的表达式：
[0046]
[0047]
[0048]
[0049] 其中：τ为平衡力矩，Jw为飞轮转动惯量，ω为飞轮转动角速度，Jh为自行车转动惯量，为自行车倾斜角度，M为自行车所受重力，Fc为前轮转动摩擦力，d为未建模的其他力，h为自行车重心高度，β为自行车前轮转角，fc为前轮所受库伦摩擦力大小。
[0050] 由于在自行车机器人运动过程中，其倾斜角度基本维持在一个较小的范围内，因此上文数学模型中的 可以近似为 这样就可以将模型写成如下形式：
[0051]
[0052] 自行车机器人保持稳定状态即 保持为0，这样就可以将控制期望定义为：
[0053]
[0054] 输出控制误差可以定义为：
[0055]
[0056] 滑模变量可以定义为：
[0057] 根据模型表达式的各项，按滑模设计原则对各项取上界可以得到控制器的表达式[0058]
[0059] 其中 为滑模自适应项，其定义为 这样自适应项就可以根据滑模变量来自适应的调整其大小，达到自适应前轮摩擦力的效果。
[0060] 为证明所设计控制器的有效性，设计李雅普诺夫方程：
[0061]
[0062] 对李雅普诺夫方程求导可以得到表达式：
[0063]
[0064] 将模型与控制器的表达式代入李雅普诺夫方程之中，可以得到 即说明了本发明涉及的控制器的有效性。
[0065] 参见图5，所述为本发明自行车机器人平衡控制的执行流程图。自行车机器人平衡控制分为两个部分，第一部分为反作用轮的速度控制，读取编码器值，用PID速度环让反作用轮保持匀速转动。当反作用轮匀速转动的时候，可以看成系统在稳态，没有反作用力产生。第二部分为用于平衡的反作用力速度输出，即输出平衡控制器中的平衡力矩，作为加速度叠加到速度控制输出上，得到最终的反作用轮输出。
[0066] 参见图6和7，分别所述为自行车机器人转向控制和前进速度控制的流程图。其中转向控制的执行流程为，初始化系统后，根据输入的转向角度，通过PID算法得到转向舵机的输出，并由转向舵机输出方向。速度控制则是通过采集前进轮编码器值，在输入目标速度，经速度PID控制器的到前进输出的闭环控制。
[0067] 参见图8和9为实际实验的信号图，展示了实验时平衡控制器输出以及平衡时自行车倾斜角度图。图2.5秒后为外部摩擦力参数变化后系统的状态。可以看到本发明所设计的控制器在实际表现中效果良好，车身来回摇摆幅度小，且对于外部参数的变化有非常高的鲁棒性。
[0068] 以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
[0069] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本发明所示的这些实施例，而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
