一种自平衡机器人的位置控制方法技术

本发明专利技术描述了一种电机编码的自平衡机器人的位置控制方法，包括：对自平衡机器人的各个模块进行初始化操作；获取自平衡机器人的传感数据并且进行姿态解算；将姿态解算的姿态信息以及自平衡机器人的位置信息作为自平衡位置控制器的输入信息，进行自平衡机器人的平衡状态判断，从而确定是否更改控制策略；执行模块接收并且执行自平衡位置控制器所输出的控制策略。本发明专利技术提出的自平衡机器人的位置控制方法，采用电机编码实时反馈机器人位置信息，进行PID闭环控制，有效地提高机器人的抗干扰能力，尤其对自平衡机器人动态静止时的零点漂移有较明显的抑制效果。

A Position Control Method for Self-balancing Robot

The present invention describes a position control method of a self-balancing robot encoded by a motor, which includes: initializing each module of the self-balancing robot; acquiring sensor data of the self-balancing robot and performing attitude calculation; using attitude information of attitude calculation and position information of the self-balancing robot as input information of the self-balancing position controller to carry out self-balancing. The balance state of the robot is judged to determine whether the control strategy is changed or not, and the execution module receives and executes the control strategy output by the self-balancing position controller. The position control method of the self-balancing robot proposed in the present invention adopts the motor coding to feedback the position information of the robot in real time, and carries out the PID closed-loop control, which effectively improves the anti-interference ability of the robot, especially the zero drift of the self-balancing robot when it is stationary dynamically.

【技术实现步骤摘要】
一种自平衡机器人的位置控制方法
本专利技术涉及机器人控制
，具体涉及一种基于电机编码的两轮自平衡机器人位置控制方法。
技术介绍
近年来随着科技的发展，机器人从最初应用的工业领域逐渐走进人们日常生活之中，在服务、物流、医疗、教育等领域中已经有一定的应用实例。自平衡机器人是应运而生的一类产品，自平衡机器人具有与自平衡车一样的两轮自平衡结构，与传统轮式机器人相比大幅度缩减了机器人尺寸，同时可以进行更加灵活的运动，能够适用于一些轮式机器人无法工作的狭小空间。目前自平衡机器人产品较少，主要因为在大型的机器人产品中使用自平衡技术难度较大，尤其是自平衡技术中的控制算法，控制算法能够直接决定机器人能否自平衡站立及运动。目前，两轮自平衡机器人的控制算法主要包括两类：一类是传统的PID方法和极点配置法，主要处理线性已知系统；由于两轮自平衡机器人具有强非线性性，因此对机器人模型进行线性化后将导致模型不精确、抗干扰能力差。另一类是智能控制，主要采用模糊控制，能够处理非线性未知系统，但模糊控制方法的控制精度取决于模糊规则库的建立，控制系统的效果受专家经验影响非常大针对传统的控制方法、动态响应不理想、抗干扰能力差；智能控制方法过度地依赖专家经验，急需一种简单且抗干扰能力强的自平衡机器人的位置控制方法。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于电机编码的两轮自平衡机器人的位置控制方法。为解决上述技术问题，提供一种基于电机编码的自平衡机器人的位置控制方法，所述方法包括：步骤一：对自平衡机器人的各个模块进行初始化操作；步骤二：获取自平衡机器人的传感数据并且进行姿态解算；步骤三：将步骤二中姿态解算的姿态信息以及自平衡机器人的位置信息作为自平衡位置控制器的输入信息，进行自平衡机器人的平衡状态判断，从而确定是否更改控制策略；步骤四：执行模块接收并且执行步骤三中自平衡位置控制器所输出的控制策略；所述执行模块包括电机、驱动轮、以及用于实时反馈自平衡机器人的位置信息的编码器，所述电机连接所述驱动轮，所述编码器连接所述电机，所述编码器将所述电机旋转产生的角度变化转变成自身的码数变化，进而产生电信号的变化，所述电信号的变化作为自平衡机器人的位置信息反馈给所述自平衡位置控制器。优选的，步骤一中所述的模块初始化包括控制板卡初始化、传感器初始化、自平衡机器人重心初始化、执行模块初始化。优选的，所述控制板卡初始化包括主控时钟初始化、中断系统初始化、各个通信模块初始化。优选的，用于获取自平衡机器人的传感数据的传感器为微机电六轴运动传感器，包括加速度计和陀螺仪。优选的，对所述六轴运动传感器所测的传感数据进行卡尔曼滤波进行姿态解算。优选的，所述姿态解算的步骤包括利用陀螺仪所获取的角速度构建卡尔曼状态方程，利用加速度计获取各轴加速度分量并计算获取角度而构建卡尔曼测量方程，建立离散化卡尔曼系统方程，计算获得姿态解算结果。优选的，所述自平衡控制器采用闭环PID控制。优选的，将所述编码器所反应自平衡机器人的实时位置信息作为自平衡控制器的反馈量，通过位置迭代的方式得到自平衡控制的控制量，将控制量和反馈量的差作为闭环PID控制的输入量。优选的，所述位置迭代的方式包括：将当前位置和变化位置作和后迭代更新为下一次的当前位置，所述变化位置包括位置前进、位置后退和位置静止。优选的，所述编码器的码数变化与所述自平衡机器人的位置变化的对应计算公式为：其中，自平衡机器人在初始位置时编码器的码数为A，电机旋转α角度且带动驱动轮运动LAB距离后，编码器的码数变为B；其中R为驱动轮半径，M为码盘一圈总数。本专利技术提出的基于电机编码的两轮自平衡机器人的位置控制方法，采用电机编码实时反馈机器人位置信息，进行PID闭环控制，有效地提高机器人的抗干扰能力，尤其对自平衡机器人动态静止时的零点漂移有较明显的抑制效果。该方法同时也可以提高机器人的运动精度，使自平衡机器人可以进行位置定量的运动，进而解决目前自平衡机器人尚不具备的定位等功能。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明图1是本专利技术一实施例流程框图；图2是姿态解算流程框图；图3是实施例中自平衡位置控制器工作流程示意图；图4是位置信息迭代示意图；图5是编码器反馈位置信息示意图；图6是图1所对应实施例的详细实施流程示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都应当属于本专利技术保护的范围。本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。图1为本专利技术一实施例的基于电机编码的两轮自平衡机器人的位置控制方法流程框图。该实施例的流程步骤主要包括：步骤S11：对自平衡机器人的各个模块进行初始化操作。该步骤为整个自平衡机器人系统的初始化步骤，是后续步骤以及自平衡机器人其他模块能够正常工作的前提。初始化操作主要包括控制板卡初始化、传感器初始化、自平衡机器人重心初始化、执行模块初始化。其中，控制板卡初始化主要包括主控时钟初始化、中断系统初始化、各个通信模块初始化。时钟初始化为姿态解算周期，自平衡位置控制器周期等时间相关模块提供稳定的时钟输出，保证实时准确的控制效果；中断初始化能够实时准确地控制嵌入式操作系统，实现一系列功能；通信模块初始化为芯片之间的通信提供了保障。传感器的初始化：对用于检测姿态的传感器的量程、灵敏度等进行初始化，以便能够准确得到机器人的姿态信息。自平衡机器人系统重心初始化：对整个系统的重心进行初始化，以便进行自平衡控制。执行模块的初始化：对电机相关参数初始化，尤其是对执行模块中的编码器的初始值进行记录。步骤S12:获取自平衡机器人的传感数据并且进行姿态解算。在步骤S11中实现传感器初始化之后，通过姿态检测传感器获取自平衡机器人的实时姿态，用于下一步骤的平衡控制。该步骤通过选取适当的姿态传感器将实时姿态信息传递给自平衡机器人系统，系统对姿态信息进行解算。由于一般姿态传感器的数据无法直接应用于自平衡控制，在该步骤还需要根据实际传感器的选择与系统情况进行滤波、拟合等计算，从而获得稳定可控的姿态信息并传递给下一步骤。该步骤在系统运行后周期性工作，实时对执行模块电机驱动后的机器人姿态(即步骤S14后的姿态)进行检测和解算。在一具体实施例中，用于获取自平衡机器人的传感数据的传感器为微机电六轴运动传感器，包括加速度计和陀螺仪。微机电六轴运动传感器的成本低于传统用于检测姿态倾角的机械式陀螺仪成本，从而有效地降低自平衡机器人系本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电机编码的自平衡机器人的位置控制方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：对自平衡机器人的各个模块进行初始化操作；步骤二：获取自平衡机器人的传感数据并且进行姿态解算；步骤三：将步骤二中姿态解算的姿态信息以及自平衡机器人的位置信息作为自平衡位置控制器的输入信息，进行自平衡机器人的平衡状态判断，从而确定是否更改控制策略；步骤四：执行模块接收并且执行步骤三中自平衡位置控制器所输出的控制策略；所述执行模块包括电机、驱动轮、以及用于实时反馈自平衡机器人的位置信息的编码器，所述电机连接所述驱动轮，所述编码器连接所述电机，所述编码器将所述电机旋转产生的角度变化转变成自身的码数变化，进而产生电信号的变化，所述电信号的变化作为自平衡机器人的位置信息反馈给所述自平衡位置控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于电机编码的自平衡机器人的位置控制方法，其特征在于，所述方法包括：步骤一：对自平衡机器人的各个模块进行初始化操作；步骤二：获取自平衡机器人的传感数据并且进行姿态解算；步骤三：将步骤二中姿态解算的姿态信息以及自平衡机器人的位置信息作为自平衡位置控制器的输入信息，进行自平衡机器人的平衡状态判断，从而确定是否更改控制策略；步骤四：执行模块接收并且执行步骤三中自平衡位置控制器所输出的控制策略；所述执行模块包括电机、驱动轮、以及用于实时反馈自平衡机器人的位置信息的编码器，所述电机连接所述驱动轮，所述编码器连接所述电机，所述编码器将所述电机旋转产生的角度变化转变成自身的码数变化，进而产生电信号的变化，所述电信号的变化作为自平衡机器人的位置信息反馈给所述自平衡位置控制器。2.根据权利要求1所述的一种基于电机编码的自平衡机器人的位置控制方法，其特征在于，步骤一中所述的模块初始化包括控制板卡初始化、传感器初始化、自平衡机器人重心初始化、执行模块初始化。3.根据权利要求2述的一种基于电机编码的自平衡机器人的位置控制方法，其特征在于，所述控制板卡初始化包括主控时钟初始化、中断系统初始化、各个通信模块初始化。4.根据权利要求1所述的一种基于电机编码的自平衡机器人的位置控制方法，其特征在于，用于获取自平衡机器人的传感数据的传感器为微机电六轴运动传感器，包括加速度计和陀螺仪。5.根据权利要求4述的一种基于电机编码的自平衡...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹风山，祁迹，刘世昌，宋吉来，赵金野，张彦超，
申请(专利权)人：沈阳新松机器人自动化股份有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21