基于NMPC与LQR平滑加权混合控制的两轮自平衡轮椅上坡运动控制方法

《Electronics》：Smoothly Weighted Hybrid NMPC–LQR Control for Slope-Dependent Uphill Motion of a Two-Wheeled Self-Balancing Wheelchair

　　摘要两轮自平衡轮椅的持续上坡运动颇具挑战。坡度引起的重力变化会改变平衡条件、驱动扭矩需求和速度响应。本文提出了一种平滑加权混合控制方法。该方法结合了非线性模型预测控制（NMPC）和线性二次调节器（LQR），用于俯仰稳定和上坡速度跟踪。控制设计考虑了坡度相关的平衡条件和稳态扭矩需求。NMPC负责处理大偏差恢复、速度调节和执行器约束，LQR则改善了平衡点附近的局部稳定性。两个控制器的输出通过一个连续变化的权重进行协调，从而在过渡区域实现控制权的平滑转移。在MATLAB/Simulink仿真中，将所提方法与单独的NMPC、LQR和SMC在多个坡度角下进行了比较。还在外部扭矩扰动条件下进行了扰动恢复测试。结果表明，在测试的坡度条件下可以实现稳定的上坡运动。在有限时长的扰动之后，控制器能够同时恢复俯仰姿态和上坡速度。在持续扭矩扰动下，俯仰稳定性得以保持，但速度调节性能有所下降。在所测试的条件下，所提方法改善了俯仰稳定和速度维持能力。记录的轮端扭矩在三种混合控制器情况下始终保持有界，未出现持续饱和现象。这些结果证明了在指定的标称仿真条件下的数值可行性，而不确定鲁棒性和实时性能仍需进一步验证。