一种校园巡逻车自动控制与容错方法

技术领域

本发明属于自动控制领域，尤其涉及一种校园巡逻车自动控制与容错方法。

背景技术

校园巡逻车方案多采用有人驾驶的巡逻车，即针对校园道路和人流特征而设计的大学校园保安人员常用的交通巡逻工具。研究方向多为对电池、机械构造、电机匹配、能耗等进行设计与仿真。其中，外观设计与降低能耗方面研究的较为普遍。外观设计主要是基于空气动力学、机械结构与美学等原理而设计出的拥有自由行进与监控拍摄功能的巡逻车；能耗减低方面主要是通过改造巡逻车的结构或采用更匹配的电池、电机以达到降低电池功率的目的。

现有的校园巡逻车方案缺陷如下：一是设计方案多是基于有人驾驶的巡逻车来进行设计。但与自动控制巡逻的无人校园巡逻车相比，势必会设计的体积更大，能耗更高，难以控制成本。二是之前的无人巡逻车设计方案多注重于巡逻车硬件的设计与优化，而少有提及对自动控制的巡逻车控制方法的研究与设计，在校园巡逻车的控制系统方面存在一定的空白。三是缺乏容错系统。对于一个投入到实际应用的系统来讲，不可能绝对不出现任何错误，而以往的设计大多没有考虑到巡逻车产生一定故障或系统出现时延的状况，对于意外状况的发生没有相应的处理手段，巡逻车安全性能无法得到有效的保障。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明设计一种校园巡逻车自动控制与容错方法。

一种校园巡逻车自动控制与容错方法，具体包括以下步骤：

步骤1：建立校园巡逻车的二自由度模型；所述校园巡逻车为四轮前驱车，由轮胎、电机、前置相机、车身、控制系统构成；车体的转弯过程是通过控制系统与电机的控制，由两个前轮进行一定角度的偏转实现的，偏转角度为前轮转角δ；车身上载有相机、电池和控制小车进行运动的单片机；相机自带有锂电池进行供电，车载电池为单片机和电机进行供电，电机与轮胎连接以控制巡逻车的前进与转向功能，电机的输出由单片机进行控制；

另外对于校园巡逻车车身坐标系的规定如下：设巡逻车前进方向为x轴，车身前进方向逆时针旋转90度为y轴，向上垂直方向为z轴；坐标原点在巡逻车的重心位置；

为了建立二自由度模型，做出以下假设：(1)直接以自动巡逻车的前轮转角δ作为输入；(2)车身只做平行于地面的平面运动，沿z轴的位移、绕y轴的俯仰角和绕x轴的侧倾角均为零，且z轴方向上左轮和右轮受到的力F

在以上的假设限制下，校园巡逻车被简化为只有侧向和横摆两个自由度的模型；

对巡逻车进行受力分析，由∑F

其中，a，b分别为巡逻车前轮，后轮到质心的距离；k

由该式化简，得到该巡逻车的二自由度模型为：

其中

步骤2：根据二自由度模型，针对校园巡逻车在稳态工作点处的状态空间模型，且稳态工作点附近模型参数未知但时不变的情况，采用Lyapunov稳定性理论的模型参考自适应控制方法设计其控制系统；

步骤2.1：校园巡逻车在稳定工作状态下的状态方程模型为：

其中，A

根据校园巡逻车状态方程模型的结构选取满足校园巡逻车运动状态要求的参考模型为：

其中：A

保证所有闭环信号有界的情况下，状态变量x

e(t)＝x

给定任意的有界指令r(t)，需要控制输入δ使得状态跟踪误差e(t)全局一致渐进趋于零；

步骤2.2：若稳定工作状态下的状态方程模型参数已知，根据校园巡逻车的状态方程模型和选取的参考模型来设计自适应控制系统，采用如下的控制器来保证状态变量能够跟踪参考模型：

将该控制律代入校园巡逻车状态方程式2得：

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其中：

A

假设这些匹配条件存在，则利用这样的控制器便能得到与参考模型相同的闭环系统，但在实际的控制系统中，由于建模误差与工作环境的变化等，精确的模型参数A

步骤2.3：针对校园巡逻车在稳定工作点处，难以获得稳定的数学模型即精确模型参数的情况，考虑基于Lyapunov稳定性的模型参考自适应控制方法来设计校园巡逻车的控制系统；通过自适应律可调参数的求取，使得被控对象即校园巡逻车的状态能够跟踪满足期望性能指标要求的参考模型的状态；

假设控制增益K

其中：

在实际情况中，存在执行器故障的情况，假设存在执行器的故障有：部分失效、卡死、中断；定义执行器故障如下:

δ

那么存在执行器故障的系统状态方程如下：

采用的控制器同式8，将其代入校园巡逻车的状态方程得到：

将上式与参考模型求差，并结合式(7)，得到：

设

引入自适应速率：

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其中P＝P

对于某些Q＝Q

所以当自适应律

为全局半负定，且/>

此时，e(t)、

本发明有益技术效果：

1.提出了一种自动控制校园巡逻车的方案，与有人驾驶巡逻车的方案相比，大大降低了巡逻车的体积大小及其成本要求，减小了校园安保人员的负担，并试图实现校园安保巡逻的无人化。

2.所采取的基于Lyapunov稳定性的模型参考自适应控制方法具有良好的闭环性能，能够在线估计系统误差并能做出实时修正，可以自动、准确地向校内安保人员提供校园安全的信息。

3.针对校园内的道路情况与巡逻环境，本发明的控制系统简捷明了，在保证性能要求的同时大大降低了其运算时间与发生错误的可能性，在发生故障时能自动控制器继续跟踪到参考系统，且对硬件的要求较低，能够适用于绝大部分的无人巡逻车系统。

附图说明

图1本发明实施例校园巡逻车控制逻辑图；

图2本发明实施例校园巡逻车系统状态跟踪曲线；

图3本发明实施例校园巡逻车状态跟踪误差曲线；

图4本发明实施例部分失效故障时的控制结果；

图5本发明实施例部分失效故障时的控制器作用；

图6本发明实施例部分失效故障和卡死故障同时发生时的控制结果；

图7本发明实施例巡逻车轨迹跟踪仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明；

本发明的目的是提出一种基于Lyapunov稳定性理论的模型参考自适应控制方法来对无人驾驶的校园巡逻车进行自动控制，设计其控制系统，证明该方法的可行性，并加入基于可能出现的问题而设计的容错系统。通过巡逻车上自带的相机或摄像头实现校园巡逻车的监控功能，减小校园安保人员的负担，实现校园安保巡逻的无人化。

一种校园巡逻车自动控制与容错方法，巡逻车控制逻辑图如附图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：建立校园巡逻车的二自由度模型；所述校园巡逻车为四轮前驱车，由轮胎、电机、前置相机、车身、控制系统构成；车体的转弯过程是通过控制系统与电机的控制，由两个前轮进行一定角度的偏转实现的，偏转角度为前轮转角δ；车身上载有相机、电池和控制小车进行运动的单片机；相机自带有锂电池进行供电，车载电池为单片机和电机进行供电，电机与轮胎连接以控制巡逻车的前进与转向功能，电机的输出由单片机进行控制；

另外对于校园巡逻车车身坐标系的规定如下：设巡逻车前进方向为x轴，车身前进方向逆时针旋转90度为y轴，向上垂直方向为z轴；坐标原点在巡逻车的重心位置；

为便于控制及建模，本发明建立的校园巡逻车模型为车辆的二自由度模型。为了建立二自由度模型，做出以下假设：(1)直接以自动巡逻车的前轮转角δ作为输入；(2)车身只做平行于地面的平面运动，沿z轴的位移、绕y轴的俯仰角和绕x轴的侧倾角均为零，且z轴方向上左轮和右轮受到的力F

在以上的假设限制下，校园巡逻车被简化为只有侧向和横摆两个自由度的模型；

对巡逻车进行受力分析，由∑F

其中，a，b分别为巡逻车前轮，后轮到质心的距离；k

由该式化简，得到该巡逻车的二自由度模型为：

其中

步骤2：根据二自由度模型，针对校园巡逻车在稳态工作点处的状态空间模型，且稳态工作点附近模型参数未知但时不变的情况，采用Lyapunov稳定性理论的模型参考自适应控制方法设计其控制系统；

步骤2.1：校园巡逻车在稳定工作状态下的状态方程模型为：

其中，A

根据校园巡逻车状态方程模型的结构选取满足校园巡逻车运动状态要求的参考模型为：

其中：A

保证所有闭环信号有界的情况下，状态变量x

e(t)＝x

给定任意的有界指令r(t)，需要控制输入δ使得状态跟踪误差e(t)全局一致渐进趋于零；

步骤2.2：若稳定工作状态下的状态方程模型参数已知，根据校园巡逻车的状态方程模型和选取的参考模型来设计自适应控制系统，采用如下的控制器来保证状态变量能够跟踪参考模型：

将该控制律代入校园巡逻车状态方程式2得：

其中：

A

假设这些匹配条件存在，则利用这样的控制器便能得到与参考模型相同的闭环系统，但在实际的控制系统中，由于建模误差与工作环境的变化等，精确的模型参数A

步骤2.3：针对校园巡逻车在稳定工作点处，难以获得稳定的数学模型即精确模型参数的情况，考虑基于Lyapunov稳定性的模型参考自适应控制方法来设计校园巡逻车的控制系统；通过自适应律可调参数的求取，使得被控对象即校园巡逻车的状态能够跟踪满足期望性能指标要求的参考模型的状态；

假设控制增益K

其中：

在实际情况中，存在执行器故障的情况，假设存在执行器的故障有：部分失效、卡死、中断；定义执行器故障如下：

δ

那么存在执行器故障的系统状态方程如下：

具体的故障类型如表1所示：

采用的控制器同式8，将其代入校园巡逻车的状态方程得到：

将上式与参考模型求差，并结合式(7)，得到：

设

引入自适应速率：

其中P＝P

对于某些Q＝Q

所以当自适应律

为全局半负定，且/>

此时，e(t)、

根据以上的理论计算与推导，针对校园巡逻车在稳态工作点模型参数已知，在稳态工作点附近模型参数未知但时不变的情况，选取合适的参数在Simulink进行仿真，以验证以上设计的基于Lyapunov稳定性的模型参考自适应系统的稳定性，初始状态的选择为0，即转向刚开始进行时，仿真时间为3s。系统状态的跟踪情况如图2所示，系统的误差曲线如图3所示。进行Simulink仿真选取的参数如表2所示：

同时，设计的控制器还具有容错控制的能力。本专利对故障类型进行了仿真，可以看到在出现部分失效故障如图4、部分失效故障与卡死故障同时发生如图6的情况下，系统最终都能跟踪到参考状态，其中发生部分失效故障时的控制器作用如图5所示.

由仿真结果可知，按照基于Lyapunov稳定性设计的校园巡逻车模型参考自适应系统具有良好的跟踪性能和容错控制能力，能在故障发生时仍跟踪到参考模型，并在保证系统稳定性的情况下实现校园巡逻车状态跟踪控制的目的。轨迹跟踪仿真结果如附图7所示；

本发明建立基于路况、巡逻车实际性能与控制要求的参考模型，从而让本发明所采取的控制方法能够准确快速进行跟踪，在线修正轨迹误差。能够拥有良好的闭环性能与容错宽容度，在发生故障时仍能跟踪到参考模型，且即使参考模型并不能完全准确描述实际情况时仍能完成既定任务。