【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及機器人控制，具體涉及一種獨輪編程機器人的控制方法。
技術(shù)介紹
1、獨輪編程機器人通常只有一個輪子，通過陀螺儀和傳感器來維持平衡，其結(jié)構(gòu)緊湊，適合在狹小的空間內(nèi)移動，獨輪編程機器人的發(fā)展得益于機器人技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算能力的提升，從最初的簡單模型到現(xiàn)在具有高度智能化和自主能力的機器人，獨輪編程機器人在硬件和軟件方面都有了顯著的進步；
2、現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺陷：
3、1、現(xiàn)有的獨輪編程機器人控制系統(tǒng)在機器人姿態(tài)出現(xiàn)偏差時，無法消除穩(wěn)態(tài)誤差，導(dǎo)致機器人在長時間內(nèi)存在小的姿態(tài)偏差，不能完全恢復(fù)到豎直狀態(tài)，尤其在外部擾動頻繁時，過于簡單或不完善的控制方法可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，無法平穩(wěn)地保持獨輪編程機器人平衡；
4、2、現(xiàn)有控制方法通常是結(jié)合獨輪編碼機器人的傾斜狀態(tài)來控制動量輪的轉(zhuǎn)動加速度，即獨輪編碼機器人傾斜角度越大，動量輪的轉(zhuǎn)動加速度越大(以使獨輪編碼機器人快速恢復(fù)到豎直狀態(tài))，然而，在實際應(yīng)用中，若動量輪的驅(qū)動系統(tǒng)存在異常時，仍采取較大的輸出功率(輸出功率越大，動量輪的轉(zhuǎn)動加速度越大)，可能會導(dǎo)致驅(qū)動系統(tǒng)故障，從而使獨輪編碼機器人完全失衡傾倒；
5、基于此，本專利技術(shù)提出一種獨輪編程機器人的控制方法，基于pid控制思想確認動量輪的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動加速度，再結(jié)合驅(qū)動系統(tǒng)運行狀態(tài)調(diào)節(jié)動量輪的轉(zhuǎn)動加速度，不僅能夠迅速、穩(wěn)定地調(diào)整獨輪機器人的姿態(tài)，而且還能保障驅(qū)動系統(tǒng)使用的可靠性，進而提高獨輪編碼機器人運行的穩(wěn)定性。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本
2、為了實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：一種獨輪編程機器人的控制方法，所述控制方法包括以下步驟：
3、控制系統(tǒng)實時監(jiān)測獨輪編碼機器人驅(qū)動系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，結(jié)合運行數(shù)據(jù)為驅(qū)動系統(tǒng)生成狀態(tài)指數(shù)，依據(jù)狀態(tài)指數(shù)與指數(shù)閾值的對比結(jié)果判斷驅(qū)動系統(tǒng)是否支持運行；
4、若判斷支持運行，通過陀螺儀和加速度計獲取獨輪編碼機器人的當前傾斜角度，并計算目標傾斜角度與當前傾斜角度之間的誤差；
5、根據(jù)比例增益和誤差計算比例部分的控制輸出，根據(jù)誤差的積分項以及積分時間常數(shù)計算積分部分的控制輸出，根據(jù)誤差的導(dǎo)數(shù)項和微分時間常數(shù)計算微分部分的控制輸出，將比例部分、積分部分和微分部分的控制輸出相加得到校正力矩；
6、依據(jù)校正力矩取值的正負結(jié)果確認驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動動量輪的旋轉(zhuǎn)方向；
7、取校正力矩的絕對值作為力矩指數(shù)，結(jié)合力矩指數(shù)以及狀態(tài)指數(shù)生成調(diào)節(jié)系數(shù)，依據(jù)調(diào)節(jié)系數(shù)調(diào)整動量輪的轉(zhuǎn)動加速度。
8、在一個優(yōu)選的實施方式中，結(jié)合運行數(shù)據(jù)為驅(qū)動系統(tǒng)生成狀態(tài)指數(shù)，包括以下步驟：
9、控制系統(tǒng)實時監(jiān)測獨輪編碼機器人驅(qū)動系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，運行數(shù)據(jù)包括電機的溫度上升速率、電流偏差以及功效比；
10、將溫度上升速率、電流偏差以及功效比進行歸一化處理，使溫度上升速率、電流偏差以及功效比的取值范圍映射到[0,1]之間，獲取溫度上升速率歸一化值、電流偏差歸一化值以及功效比歸一化值，依據(jù)溫度上升速率歸一化值、電流偏差歸一化值以及功效比歸一化值與狀態(tài)指數(shù)的正反比關(guān)系，對溫度上升速率歸一化值、電流偏差歸一化值以及功效比歸一化值加權(quán)計算獲取狀態(tài)指數(shù)。
11、在一個優(yōu)選的實施方式中，依據(jù)狀態(tài)指數(shù)與指數(shù)閾值的對比結(jié)果判斷驅(qū)動系統(tǒng)是否支持運行，包括以下步驟：
12、將獲取的狀態(tài)指數(shù)與指數(shù)閾值進行對比，指數(shù)閾值用于判斷驅(qū)動系統(tǒng)是否支持運行，若狀態(tài)指數(shù)大于指數(shù)閾值，判斷驅(qū)動系統(tǒng)整體性能差，不支持運行。
13、在一個優(yōu)選的實施方式中，計算目標傾斜角度與當前傾斜角度之間的誤差，表達式為：
14、error＝target_angle-current_angle，式中，target_angl為目標傾斜角度，current_angle為當前傾斜角度，error為誤差。
15、在一個優(yōu)選的實施方式中，將比例部分、積分部分和微分部分的控制輸出相加得到校正力矩，包括以下步驟：
16、校正力矩的計算表達式為：t＝p+iout+d，式中，t為校正力矩，p為比例控制輸出，iout表示積分控制輸出，d為微分控制輸出。
17、在一個優(yōu)選的實施方式中，依據(jù)校正力矩取值的正負結(jié)果確認驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動動量輪的旋轉(zhuǎn)方向，包括以下步驟：
18、獲取校正力矩后，將校正力矩與數(shù)值0進行對比；
19、若t>0，表示獨輪機器人當前處于向右傾斜狀態(tài)，需要施加向左的力矩來抑制右傾，以獨輪編程機器人的后方作為基準，驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動動量輪逆時針轉(zhuǎn)動；
20、若t<0，表示獨輪機器人當前處于向左傾斜狀態(tài)，需要施加向右的力矩來抑制左傾，以獨輪編程機器人的后方作為基準，驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動動量輪順時針轉(zhuǎn)動。
21、在一個優(yōu)選的實施方式中，取校正力矩的絕對值作為力矩指數(shù)，結(jié)合力矩指數(shù)以及狀態(tài)指數(shù)生成調(diào)節(jié)系數(shù)，包括以下步驟：
22、取校正力矩的絕對值作為力矩指數(shù)，表達式為：zmoment＝|t|，式中，t為校正力矩，zmoment為力矩指數(shù)；
23、結(jié)合力矩指數(shù)以及狀態(tài)指數(shù)生成調(diào)節(jié)系數(shù)，表達式為：
24、tjx＝α*zmoment-β*zstate，式中，tjx為調(diào)節(jié)系數(shù)，zmoment為力矩指數(shù)，zstate為狀態(tài)指數(shù)，α、β分別為力矩指數(shù)、狀態(tài)指數(shù)的比例系數(shù)，且α、β均大于0。
25、在一個優(yōu)選的實施方式中，依據(jù)調(diào)節(jié)系數(shù)調(diào)整動量輪的轉(zhuǎn)動加速度包括以下步驟：
26、在獲取調(diào)節(jié)系數(shù)后，將調(diào)節(jié)系數(shù)與預(yù)設(shè)的系數(shù)閾值進行對比，判斷需要對動量輪當前轉(zhuǎn)動加速度進行調(diào)大或調(diào)小處理，調(diào)節(jié)算法為：
27、式中，sdnew為調(diào)節(jié)后的轉(zhuǎn)動加速度，sdold為調(diào)節(jié)前的轉(zhuǎn)動加速度，tjx為調(diào)節(jié)系數(shù)，tjz為系數(shù)閾值。
28、在一個優(yōu)選的實施方式中，根據(jù)比例增益和誤差計算比例部分的控制輸出，包括以下步驟：
29、將計算得到的誤差代入比例控制公式獲取比例控制輸出，表達式為：
30、p＝kp*error，式中，p為比例控制輸出，kp為比例增益，error為誤差；
31、根據(jù)誤差的積分項以及積分時間常數(shù)計算積分部分的控制輸出，包括以下步驟：
32、對計算得到的誤差進行積分運算，積分運算需要累積歷史誤差，表達式為：式中，i為積分項，t表示當前時間，表示在時間時的誤差；
33、利用積分增益和積分項計算積分控制輸出，表達式為：iout＝ki*i，式中，為i為積分項，ki為積分增益，iout表示積分控制輸出；
34、根據(jù)誤差的導(dǎo)數(shù)項和微分時間常數(shù)計算微分部分的控制輸出，包括以下步驟：
35、通過當前誤差與上一次誤差計算誤差變化率作為誤差導(dǎo)數(shù)項，表達式為：式中，error_derivative為誤差導(dǎo)數(shù)項，errork為當前誤差，errork-1為上一次本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：結(jié)合運行數(shù)據(jù)為驅(qū)動系統(tǒng)生成狀態(tài)指數(shù)，包括以下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：依據(jù)狀態(tài)指數(shù)與指數(shù)閾值的對比結(jié)果判斷驅(qū)動系統(tǒng)是否支持運行，包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：計算目標傾斜角度與當前傾斜角度之間的誤差，表達式為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：將比例部分、積分部分和微分部分的控制輸出相加得到校正力矩，包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：依據(jù)校正力矩取值的正負結(jié)果確認驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動動量輪的旋轉(zhuǎn)方向，包括以下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：取校正力矩的絕對值作為力矩指數(shù)，結(jié)合力矩指數(shù)以及狀態(tài)指數(shù)生成調(diào)節(jié)系數(shù)，包括以下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：根據(jù)比例增益和誤差計算比例部分的控制輸出，包括以下步驟：
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：所述溫度上升速率的獲取邏輯為：獲取電機在當前時刻的溫度值以及在上一時刻的溫度值，通過當前時刻的溫度值減去上一時刻的溫度值獲取溫度差值，將當前時刻減去上一時刻獲取監(jiān)測時長，通過溫度差值比上監(jiān)測時長獲取溫度上升速率；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：結(jié)合運行數(shù)據(jù)為驅(qū)動系統(tǒng)生成狀態(tài)指數(shù)，包括以下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：依據(jù)狀態(tài)指數(shù)與指數(shù)閾值的對比結(jié)果判斷驅(qū)動系統(tǒng)是否支持運行，包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：計算目標傾斜角度與當前傾斜角度之間的誤差，表達式為：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：將比例部分、積分部分和微分部分的控制輸出相加得到校正力矩，包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種獨輪編程機器人的控制方法，其特征在于：依據(jù)校正力矩取值的正負結(jié)果確認驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：費旭鋒，韓超，
申請(專利權(quán))人：上海鯨魚機器人科技有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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