控制参数调整方法、装置及双轮自平衡机器人制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种控制参数调整方法、装置及双轮自平衡机器人，该方法包括：监测双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度；监测双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动角度；监测双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动频率；根据PD控制器的比例系数与晃动幅度的绝对值和摆动角度的绝对值成正相关、及与摆动频率成负相关的关系，调整比例系数；根据PD控制器的微分时间与晃动幅度的绝对值和摆动角度的绝对值成正相关、及与摆动频率成负相关的关系，调整微分时间。

【技术实现步骤摘要】
控制参数调整方法、装置及双轮自平衡机器人
本专利技术涉及双轮自平衡机器人
，更具体地，本专利技术涉及一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整方法、一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整装置、及一种双轮自平衡机器人。
技术介绍
随着机器人技术的不断发展，双轮自平衡机器人凭借结构简单、活动灵活等优点得到国内外机器人领域的重视。双轮自平衡机器人作为一种特殊的倒立摆式轮式机器人，具有非完整、非线性、欠驱动和不稳定性等特点，因此，采用恰当的平衡控制策略是双轮机器人保持平衡的关键。现有的双轮自平衡机器人通常采用控制参数固定的PID控制策略，该种控制策略的抗干扰性较差。另外，目前也有一些将PID模糊控制、神经网络控制等应用在双轮自平衡机器人上的研究，应用这类智能控制方案虽然能够提高双轮自平衡机器人的抗干扰能力，但由于其计算量比较大，因此，存在响应速度慢、对硬件配置要求高进而导致成本上升的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例的一个目的是提供一种用于双轮自平衡机器人的PD控制参数调整的新的技术方案，以较为简单的方式实现PD控制参数的在线调整。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整方法，其包括：监测所述双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度；监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动角度；监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动频率；根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述比例系数；根据所述PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述微分时间。可选的是，所述根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述比例系数包括：获取所述比例系数的预设初始值；根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，确定所述比例系数的修正量；调整所述比例系数等于所述比例系数的预设初始值与所述比例系数的修正量之和。可选的是，所述根据所述PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述微分时间包括：获取所述微分时间的预设初始值；根据PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，确定所述微分时间的修正量；调整所述微分时间等于所述微分时间的预设初始值与所述微分时间的修正量之和。可选的是，所述监测所述双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度包括：获取光电编码器输出的脉冲，其中，所述光电编码器安装在所述双轮自平衡机器人的电机输出轴上；根据所述脉冲计算所述双轮自平衡机器人在直行方向上的运动速度；对所述运动速度进行积分运算，直至根据所述脉冲确定运动方向发生改变为止；确定所述晃动幅度等于所述积分运算的结果与设定常数的乘积。可选的是，所述监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动频率包括：根据所述摆动角度的方向符号，确定在设定时间内摆动方向发生改变的次数作为所述摆动频率。根据本专利技术的第二方面，提供了一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整装置，其包括：晃动幅度监测模块，用于监测所述双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度；摆动角度监测模块，用于监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动角度；摆动频率监测模块，用于监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动频率；比例系数调整模块，用于根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述比例系数；以及，微分时间调整模块，用于根据所述PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述微分时间。可选的是，所述比例系数调整模块包括：比例初始值获取单元，用于获取所述比例系数的预设初始值；比例修正量计算单元，用于根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，确定所述比例系数的修正量；以及，比例系数调整单元，用于调整所述比例系数等于所述比例系数的预设初始值与所述比例系数的修正量之和。可选的是，所述微分时间调整模块包括：微分初始值获取单元，用于获取所述微分时间的预设初始值；微分修正量计算单元，用于根据PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，确定所述微分时间的修正量；以及，微分时间调整单元，用于调整所述微分时间等于所述微分时间的预设初始值与所述微分时间的修正量之和。可选的是，所述晃动幅度监测模块包括：脉冲获取模块，用于获取光电编码器输出的脉冲，其中，所述光电编码器安装在所述双轮自平衡机器人的电机输出轴上；速度计算单元，用于根据所述脉冲计算所述双轮自平衡机器人在直行方向上的运动速度；积分单元，用于对所述运动速度进行积分运算，直至根据所述脉冲确定运动方向发生改变为止；以及，晃动幅度确定单元，用于确定所述晃动幅度等于所述积分运算的结果与设定常数的乘积。可选的是，所述摆动频率监测模块具体用于根据所述摆动角度的方向符号，确定在设定时间内摆动方向发生改变的次数作为所述摆动频率。根据本专利技术的第三方面，提供了一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储指令，所述指令用于控制所述处理器进行操作以执行根据本专利技术的第一方面所述的控制参数调整方法。根据本专利技术的第四方面，还提供了一种双轮自平衡机器人，其控制系统的至少一个控制环包括PD控制器和根据本专利技术的第二方面或者根据本专利技术的第三方面所述的控制参数调整装置，所述控制参数调整装置用于在线调整所述PD控制器的比例系数和微分时间。本专利技术的一个有益效果在于，本专利技术方法、装置通过能够反映双轮自平衡机器人的不平稳状态的晃动幅度、摆动角度和摆动频率来在线调整PD控制器的比例系数和微分时间，这使得双轮自平衡机器人不仅能够自身保持平稳，而且在加上负重后也能够保持平稳，进而提高了双轮自平衡机器人的适应能力。另外，由于本专利技术方法、装置是通过晃动幅度、摆动角度和摆动频率与控制参数之间的函数关系直接调整对应的控制参数，因此具有较小的计算量，能够进行平衡控制的快速响应。通过以下参照附图对本专利技术的示例性实施例的详细描述，本专利技术的其它特征及其优点将会变得清楚。附图说明被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本专利技术的实施例，并且连同其说明一起用于解释本专利技术的原理。图1为根据本专利技术的控制参数调整方法的一种实施例的流程示意图；图2为根据本专利技术的控制参数调整装置的一种实施例的方框原理图；图3为图2中比例系数调整模块的一种实施例的方框原理图；图4为图2中微分时间调整模块的一种实施例的方框原理图；图5为图2中晃动幅度监测模块的一种实施例的方框原理图；图6为根据本专利技术控制参数调整装置的一种硬件结构的方框原理图；图7为根据本专利技术双轮自平衡机器人的控制系统的示意图。具体实施方式现在将参照附图来详细描本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整方法，其特征在于，包括：监测所述双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度；监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动角度；监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动频率；根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述比例系数；根据所述PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述微分时间。

【技术特征摘要】
1.一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整方法，其特征在于，包括：监测所述双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度；监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动角度；监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动频率；根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述比例系数；根据所述PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述微分时间。2.根据权利要求1所述的控制参数调整方法，其特征在于，所述根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述比例系数包括：获取所述比例系数的预设初始值；根据PD控制器的比例系数与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，确定所述比例系数的修正量；调整所述比例系数等于所述比例系数的预设初始值与所述比例系数的修正量之和。3.根据权利要求1所述的控制参数调整方法，其特征在于，根据所述PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，调整所述微分时间包括：获取所述微分时间的预设初始值；根据PD控制器的微分时间与所述晃动幅度的绝对值和所述摆动角度的绝对值成正相关、及与所述摆动频率成负相关的关系，确定所述微分时间的修正量；调整所述微分时间等于所述微分时间的预设初始值与所述微分时间的修正量之和。4.根据权利要求1所述的控制参数调整方法，其特征在于，所述监测所述双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度包括：获取光电编码器输出的脉冲，其中，所述光电编码器安装在所述双轮自平衡机器人的电机输出轴上；根据所述脉冲计算所述双轮自平衡机器人在直行方向上的运动速度；对所述运动速度进行积分运算，直至根据所述脉冲确定运动方向发生改变为止；确定所述晃动幅度等于所述积分运算的结果与设定常数的乘积。5.根据权利要求1所述的控制参数调整方法，其特征在于，所述监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动频率包括：根据所述摆动角度的方向符号，确定在设定时间内摆动方向发生改变的次数作为所述摆动频率。6.一种用于双轮自平衡机器人的控制参数调整装置，其特征在于，包括：晃动幅度监测模块，用于监测所述双轮自平衡机器人在直行方向上晃动的晃动幅度；摆动角度监测模块，用于监测所述双轮自平衡机器人相对竖直方向摆动的摆动角度；摆动频...

【专利技术属性】
技术研发人员：程霖，赵艳丽，赵英，
申请(专利权)人：歌尔科技有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37