具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种无人自行车控制系统，包括供电部分，控制部分，传感器部分和主电路部分。供电部分使用36V蓄电池给控制部分，传感器部分和主电路部分供电，使用MPU6050姿态传感器采集车身倾斜角度与给定期望值的偏差以及自行车行驶速度，添加到动力学模型中，设计基于指数趋近律的自适应滑模控制方法对模型进行求解，得到把手转向角和自行车设定转速值，实现自平衡控制。

本发明一种无人自行车控制方法，包括以下步骤：

S1、对自行车系统进行建模，得到自行车系统的动力学模型；

请参阅图1，自行车可以看作是一个倒立摆，受到重力的作用是一个不稳定系统，需要提供额外的回复力维持平衡，而提供回复力的正是自行车转向时的离心力。离心力是自行车行驶速度和把手转向角的函数，若自行车行驶速度已知，可认为控制把手转向角就是控制回复力。在对自行车系统建模之前，先做理想化假设，以便于后续模型的分析及求解。如：忽略空气阻力及前后轮的转动惯量，且前后轮和地面之间没有摩擦，自行车所有的质量完全集中于质心一点。自行车系统结构简化示意图如图1(a)所示，系统所受外力中，只有车身重力产生力矩，系统动力学方程为：

由于自行车转弯半径与把手转向角有直接关系，自行车系统结构俯视图如图 1(b)所示，根据几何关系可求得：

其中，J＝mh²为转动惯量，m为自行车质量，φ为车身倾斜角度，g为重力加速度，h为质心高度，V为自行车行驶速度，l₂为前后轮着地点间的距离，l₁为后轮着地点与质心在水平面投影点的距离，θ为车把转向角度，r为自行车转弯半径。

将上述两式联立，得到自行车系统的数学模型如下：

其中，为车身倾斜角加速度，φ为车身倾斜角度，g为重力加速度，h为质心高度，V为自行车行驶速度，l₂为前后轮着地点间的距离，l₁为后轮着地点与质心在水平面投影点的距离，θ为车把转向角度。

S2、对步骤S1得到的自行车系统的动力学模型进行线性化处理得到线性模型；

为设计与计算方便，在车体竖直时，各角度均为小量，将模型线性化如下：

其中，φ为车身倾斜角度，g为重力加速度，h为质心高度，V为自行车行驶速度，l₂为前后轮着地点间的距离，l₁为后轮着地点与质心在水平面投影点的距离，θ为车把转向角度，ω^*为自行车设定转速值，d为后轮直径。

S3、根据步骤S2的线性模型，设计基于指数趋近律的自适应滑模控制器；

请参阅图2，通过MPU6050姿态传感器采集车身倾斜角度与给定期望值的偏差以及自行车行驶速度给到图1所求出的动力学模型中，则动力学模型变为车身倾斜角与把手转向角的单输入单输出模型，根据上述动力学模型，设计基于指数趋近律的自适应滑模控制器。

S301、控制律和自适应律设计：

令：则线性模型为：

设理想跟踪指令为φ_d，定义系统的跟踪误差e＝φ-φ_d，设计滑模函数为：

其中，c＞0。

设计控制律为：

其中，k,η,λ,c均大于0，为车身倾斜角加速度期望值，分别为q₁,q₂的估计值。

定义Lyapunov函数为：

其中：分别为q₁,q₂的估计误差。

对Lyapunov函数求导，得：

设计自适应律为：

其中，γ₁,γ₂均大于0。

S302、稳定性分析：

将自适应律带入式(7)，得：

根据Young’s不等式：

式(10)可化简为：

将式(13)进行缩放并化简，得：

令τ₁＝2k，

式(14)可化为：

由于连续函数L(t)≥0，且L(0)有界，式(15)中τ₁＞0，τ₂＞0，可得到L(t)有界并收敛，

当t→∞时，s→0，从而e→0，车体倾斜角φ收敛于给定值φ_d

S302、为便于后续设计与实现，对部分式子进行离散化处理：

式(3)系统模型离散化表达式为：

式(4)滑模函数离散化表达式为：

式(5)控制律离散化表达式为：

式(8)、式(9)自适应律离散化表达式为：

S4、根据步骤S3的自适应控制器求解得到把手转向角和自行车设定转速值，通过单片机给出相应数量的脉冲信号控制逆变器中开关管的导通和关断来控制步进电机的转向，从而控制自行车前叉系统的转向；根据可求出自行车的给定转速值，将其与自行车实际转速值的偏差经过PI调节得到参考电流值，然后与实际电流值的偏差经过PI调节后再通过坐标变换给到PWM模块中，产生能驱动逆变器中IGBT管的开关信号，从而对无刷电机的转速进行控制，使其快速稳定到给定值附近，且能克服外界的各种干扰。其中自行车行驶速度V是时间t的函数，且函数关系f(t)已知。若f(t)为一常数，则可实现定速条件下的自平衡。否则可实现变速条件下(V＝f(t))系统的自平衡。

对于把手转向角通过控制器给出相应的脉冲信号控制步进电机转向，从而控制自行车前叉系统的转向；对于自行车设定转速值，采用矢量控制(FOC)方法，通过控制器给出相应的PWM信号控制逆变器中开关管的导通和关断，从而实现对后轮无刷电机的控制，使其转速快速稳定到设定值附近。

请参阅图3，无人自行车系统硬件结构主要由供电部分，控制部分，传感器部分和主电路部分组成。

供电部分：采用充电模块和蓄电池对电池充电和系统各部分的供电；

控制部分：采用STM32F103ZET6作为主控芯片；

传感器部分：采用MPU6050姿态传感器采集自行车车身偏移角度；

主电路部分：步进电机及其驱动器，无刷电机及其驱驱动器。

通过36V蓄电池给步进电机驱动器和无刷电机驱动器供电，再由降压模块给单片机供电，单片机以ST公司的STM32F103ZET6作为主控芯片，该芯片有多个定时器和丰富的外设，可以很好的满足设计要求。通过MPU6050姿态传感器检测自行车车身倾斜程度给到单片机中，通过对数学模型的求解，可得到把手转向角和自行车设定转速值，再由控制器给出相应的信号来控制驱动器中开关管的导通和关断，从而实现对步进电机转向以及无刷电机转速的控制，使自行车在平衡状态附近稳定运行。

请参阅图4，为提高系统的响应速度，本系统在软件设计过程中植入了 FreeRTOS系统，实现了无刷电机控制，步进电机控制，串行通信，LCD显示等多任务运行，通过任务调度器完成相关任务的调度。任务调度器保证了转速响应和把手转向的实时性，从而提高了系统的稳定性。具体步骤如下：

步骤1：开始，进入FreeRTOS系统并初始化；

步骤2：创建任务，开启任务调度器；

步骤3：通过任务调度器调度相关任务；

步骤4：判断系统是否结束运行，是则跳到步骤5，否则返回步骤3；

步骤5：结束。

本发明再一个实施例中，提供一种无人自行车控制系统，该系统能够用于实现上述无人自行车控制方法，具体的，该无人自行车控制系统包括模型模块、线性模块、设计模块以及控制模块。

其中，模型模块，对自行车系统进行建模，得到自行车系统的动力学模型；

线性模块，对模型模块得到的自行车系统的动力学模型进行线性化处理得到线性模型；

设计模块，采集车身倾斜角度与给定期望值的偏差以及自行车行驶速度，输入线性模块的线性模型中得到车身倾斜角与把手转向角的单输入单输出模型，设计基于指数趋近律的自适应滑模控制器；

控制模块，根据设计模块的自适应控制器求解得到把手转向角和自行车设定转速值，根据把手转向角通过步进电机控制自行车的前叉系统转向，使用FOC方法利用自行车设定转速值和自行车给定转速值的偏差调节电流控制电机的转速，实现自行车的自平衡控制。

本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(Central ProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor、DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于无人自行车控制方法的操作，包括：

对自行车系统进行建模，得到自行车系统的动力学模型；对自行车系统的动力学模型进行线性化处理得到线性模型；采集车身倾斜角度与给定期望值的偏差以及自行车行驶速度，输入线性模型中得到车身倾斜角与把手转向角的单输入单输出模型，设计基于指数趋近律的自适应滑模控制器；根据自适应控制器求解得到把手转向角和自行车设定转速值，根据把手转向角通过步进电机控制自行车的前叉系统转向，使用FOC方法利用自行车设定转速值和自行车给定转速值的偏差调节电流控制电机的转速，实现自行车的自平衡控制。

本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(Memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速RAM存储器，也可以是非不稳定的存储器(non- volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。

可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关无人自行车控制方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：

对自行车系统进行建模，得到自行车系统的动力学模型；对自行车系统的动力学模型进行线性化处理得到线性模型；采集车身倾斜角度与给定期望值的偏差以及自行车行驶速度，输入线性模型中得到车身倾斜角与把手转向角的单输入单输出模型，设计基于指数趋近律的自适应滑模控制器；根据自适应控制器求解得到把手转向角和自行车设定转速值，根据把手转向角通过步进电机控制自行车的前叉系统转向，使用FOC方法利用自行车设定转速值和自行车给定转速值的偏差调节电流控制电机的转速，实现自行车的自平衡控制。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图5，将车身倾斜角在0.1rad下自由释放，自适应控制器中各参数取值如下： g＝9.8m/s²；h＝0.6m；l₂＝0.8m，c＝0.01；k＝0.01；η＝0.01；λ＝5；γ₁＝0.1；γ₂＝0.1；V＝5m/s；车身倾斜角、把手转向角与时间的变化曲线如图5所示，可以看出通过控制器的调节作用，车身倾斜角经过大约经过1.2s左右恢复到平衡状态，把手转向角由0.1rad经过相同的时间也恢复到平衡状态，因此通过控制器的调节作用可以实现无人自行车系统的自平衡。

综上所述，本发明一种无人自行车控制方法，在基于指数趋近律的自适应滑模控制器作用下，能够实现无人自行车的自平衡，且具有良好的鲁棒性和控制精度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和 /或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。