立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法技术方案

本发明专利技术涉及立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法，在立方体框架中集成所有部件，各部件之间的连接线或控制线均不伸出于立方体框架；由立方体角度PID控制器和惯性轮角速度自适应模糊PID控制器组成立方体惯性轮角速度及机体角度串级控制系统；外环控制器采用模糊自适应整定PID控制器，测得的惯性轮角速度值应用限幅滤波法得到惯性轮角速度值作为外环的反馈输入，输入惯性轮角速度自适应模糊PID控制器；将陀螺仪和加速度计测得的立方体倾斜角度数据经过一阶卡尔曼滤波姿态角度融合得到的机体角度值作为内环控制的反馈。能够解决目前立方体机器人系统完整性和集成度不高、电路集成度低及平衡控制自适应能力差、控制模型精度不够的问题。

Cube robot and its control system, method and design method

【技术实现步骤摘要】
立方体机器人及控制系统和方法以及设计方法
本专利技术涉及智能机器人领域，尤其涉及一种立方体机器人及其模糊PID控制系统，以及控制系统的设计方法和应用。
技术介绍
立方体机器人是一种结构和运动方式独特的自平衡机器人，以立方体棱边或者角点为支点实现立方体自平衡。立方体机器人通过内置的刹车装置，实现立方体全向翻转灵活运动。多个立方体机器人组装后可用于桥梁修补、太空探索等领域，具有重要的理论价值和广阔的发展前景。现有立方体系统外设模块较为分散、部分电子器件位于立方体框架外，如，一些带有飞轮的立方体倒立摆系统，其供电模块、电机驱动模块均需要有排线引出到立方体框架外部，集中程度不高，特别是移动使用的时候控制不便。由于自平衡立方体外观体积及机载系统的限制，其系统设计需综合考虑整体性及实时性要求。此外，立方体机器人是一个复杂的非线性系统，目前常用的对立方体机器人动力学建模，分别采用拉格朗日方法和凯恩方法对自平衡立方体进行动力学模型，也有基于飞轮的单级倒立摆系统的建模与仿真方法，应用二次型最优调节器LQR实现对飞轮倒立摆系统的平衡控制。由于立方体机器人是一种非线性、强耦合、多变量的复杂系统，获取其精确的数学模型难度较大，此外立方体系统易受到外界的干扰，因此经典控制方法具有一定的局限性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，针对目前立方体机器人系统完整性和集成度不高、电路集成度低及平衡控制自适应能力差、精度不够的问题，提供一种内部全集成的立方体机器人；同时在此基础上，针对目前立方体机器人动力学模型基于经典控制方法建模不够精确的局限性，提供一种立方体机器人模糊PID控制系统及控制方法，以及控制系统的设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种内部全集成的立方体机器人，包括立方体框架；其特征在于：在立方体框架中集成所有部件，各部件之间的连接线或控制线均不伸出于立方体框架，所述部件至少包括：通过电机固定件悬空固定在立方体框架其中一面中心的电机，通过法兰联轴器固定在电机的轴上的惯性轮，所述惯性轮平行于所述立方体框架其中一面；固定于立方体框架另一面上的电控板，电控板包括了姿态传感器、单片机控制板和直流电机伺服驱动器；固定于立方体框架第三面上的电池固定盒，电池固定盒中容纳电池，电池与所述电控板电连接。进一步的，惯性轮设置于电机固定件与所述立方体框架其中一面之间。进一步的，立方体框架六面由位于棱角处的八个直角连接件固定。一种立方体机器人模糊PID控制系统，其特征在于：由立方体角度PID控制器和惯性轮角速度自适应模糊PID控制器组成立方体惯性轮角速度及机体角度串级控制系统；惯性轮角速度自适应模糊PID控制器作为外环控制器，立方体角度PID控制器作为内环控制器；外环控制器采用模糊自适应整定PID控制器，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，以满足不同时刻对系统外环PID参数自整定的要求；测得的惯性轮角速度值应用限幅滤波法得到惯性轮角速度值作为外环的反馈输入，输入惯性轮角速度自适应模糊PID控制器；惯性轮角速度自适应模糊PID控制器的输出值作为内环立方体角度PID控制器的输入，同时将陀螺仪和加速度计测得的立方体倾斜角度数据经过一阶卡尔曼滤波姿态角度融合得到的机体角度值作为内环控制的反馈，输入立方体角度PID控制器，最终将立方体角度PID控制器的输出值代入执行机构，控制惯性轮电机旋转而产生立方体自平衡所需的力矩。一种立方体机器人模糊PID控制系统设计方法，其特征在于包括如下步骤：S1，采用拉格朗日法对带有惯性轮的自平衡立方体建立数学模型；S2：将立方体倾斜角度θ、惯性轮角速度分别作为系统的内、外环的被控量，构造立方体惯性轮角速度及机体角度串级控制系统；惯性轮角速度外环采用模糊PID控制器，利用模糊控制规则在线对惯性轮角速度PID参数进行修改，以满足不同时刻对惯性轮角速度PID参数自整定的要求；立方体倾斜角度内环为内环立方体角度PID控制器；S3：应用限幅滤波法剔除惯性轮角速度数据中的异常值得到准确的惯性轮角速度数据；将陀螺仪和加速度计测得的数据经过一阶卡尔曼滤波姿态角度融合得到的机体角度值作为内环立方体角度PID控制器的反馈；立方体角度PID控制器的输出值作为执行机构的输入数据，通过控制惯性轮电机旋转而控制立方体自平衡稳定所需要的力矩。进一步的，步骤S3中，定时对陀螺仪和加速度计得到的机体角度值进行采样，应用一阶卡尔曼滤波进行立方体姿态角度融合，得到可信任的惯性轮自平衡立方体系统角度值作为内环控制的反馈。进一步的，步骤S3中，应用一阶卡尔曼滤波从陀螺仪积分得到的机体角度数据和加速度计得到的机体倾斜角度中得到可信任的机体角度。进一步的，步骤S3中，应用限幅滤波法剔除惯性轮角速度数据中的异常值的原理为：确定两次采样允许的最大偏差值，当前采样值与上一次采样值做差值运算，如果差值的绝对值小于最大偏差值，那么视当前采样值为一次正确的采样数据；如果差值的绝对值大于最大偏差值，那么视当前采样值为无效采样，把上一次采样值近似看作当前采样值。一种立方体机器人控制方法，其特征在于：首先进行系统时钟初始化，各个模块初始化，最后初始化并开启定时中断，完成系统初始化设置，然后在定时中断中进行姿态传感器角速度、角加速度采集，完成一阶卡尔曼滤波姿态角度融合，得到可信任的自平衡立方体的机体角度值，并进行惯性轮角速度限幅滤波，最后实现基于模糊PID的惯性轮自平衡立方体控制。相对于现有技术，本专利技术具有如下效果：本专利技术的目的是为了解决现有立方体机器人机械结构系统完整性不高，电路集成度低及平衡控制自适应能力差等问题，设计了一种内部高度集成的自平衡立方体结构、并实现了基于模糊PID的惯性轮立方体控制系统。通过机载运行，验证了所设计惯性轮立方体机器人的有效控制。(1)自平衡立方体系统的所有器件均位于立方体框架内部，无任何其他器件引出到立方体框架外，由此体现了系统的完整性，有效减少了实际运行过程中外界因素对于系统的干扰，利于立方体机器人的翻转运行和二次开发；此外，考虑到硬件开发成本问题，本系统中采用直流有刷电机替代常用的无刷电机，有效降低开发成本。(2)针对立方体机器人非线性、多变量、强耦合、非自稳的特点，设计了惯性轮角速度模糊PID—机体角度PID串级控制系统。首先，采用拉格朗日法对自平衡立方体建立数学模型；然后，将自平衡立方体角度、惯性轮角速度分别作为系统的内、外环的被控量，构造了立方体惯性轮角速度—机体角度串级控制系统。角速度外环采用模糊PID控制器，提高了PID控制系统的自适应性，利用模糊控制规则在线对惯性轮角速度PID参数进行修改，以满足不同时刻对惯性轮角速度PID参数自整定的要求，控制算法简单，易于机载在线运行。有效避免了对精确模型的依赖，提高了系统的抗扰性能，实现了系统稳、准、快的控制目标。(3)设计了立方体一阶卡尔曼滤波姿态角度融合算法和惯性轮角速度限幅滤波算法。在自平衡立方体系统实际应用中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种内部全集成的立方体机器人，包括立方体框架；其特征在于：在立方体框架中集成所有部件，各部件之间的连接线或控制线均不伸出于立方体框架，所述部件至少包括：/n通过电机固定件悬空固定在立方体框架其中一面中心的电机，/n通过法兰联轴器固定在电机的轴上的惯性轮，所述惯性轮平行于所述立方体框架其中一面；/n固定于立方体框架另一面上的电控板，电控板包括了姿态传感器、单片机控制板和直流电机伺服驱动器；/n固定于立方体框架第三面上的电池固定盒，电池固定盒中容纳电池，电池与所述电控板电连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种内部全集成的立方体机器人，包括立方体框架；其特征在于：在立方体框架中集成所有部件，各部件之间的连接线或控制线均不伸出于立方体框架，所述部件至少包括：
通过电机固定件悬空固定在立方体框架其中一面中心的电机，
通过法兰联轴器固定在电机的轴上的惯性轮，所述惯性轮平行于所述立方体框架其中一面；
固定于立方体框架另一面上的电控板，电控板包括了姿态传感器、单片机控制板和直流电机伺服驱动器；
固定于立方体框架第三面上的电池固定盒，电池固定盒中容纳电池，电池与所述电控板电连接。


2.根据权利要求1所述的内部全集成的立方体机器人，其特征在于：惯性轮设置于电机固定件与所述立方体框架其中一面之间。


3.根据权利要求1所述的内部全集成的立方体机器人，其特征在于：立方体框架六面由位于棱角处的八个直角连接件固定。


4.一种立方体机器人模糊PID控制系统，其特征在于：由立方体角度PID控制器和惯性轮角速度自适应模糊PID控制器组成立方体惯性轮角速度及机体角度串级控制系统；惯性轮角速度自适应模糊PID控制器作为外环控制器，立方体角度PID控制器作为内环控制器；外环控制器采用模糊自适应整定PID控制器，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，以满足不同时刻对系统外环PID参数自整定的要求；测得的惯性轮角速度值应用限幅滤波法得到惯性轮角速度值作为外环的反馈输入，输入惯性轮角速度自适应模糊PID控制器；惯性轮角速度自适应模糊PID控制器的输出值作为内环立方体角度PID控制器的输入，同时将陀螺仪和加速度计测得的立方体倾斜角度数据经过一阶卡尔曼滤波姿态角度融合得到的机体角度值作为内环控制的反馈，输入立方体角度PID控制器，最终将立方体角度PID控制器的输出值代入执行机构，控制惯性轮电机旋转而产生立方体自平衡所需的力矩。


5.一种立方体机器人模糊PID控制系统设计方法，其特征在于包括如下步骤：
S1，采用拉格朗日法对带有惯性轮的自平衡立方体建立数学模型；
S2：将立方体倾斜角度、惯性...

【专利技术属性】
技术研发人员：章政，张舰栋，李亚贵，李宇峰，陶卓，李磊，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42