自平衡机器人控制方法、系统、自平衡机器人及介质技术方案

公开了一种自平衡机器人控制方法、系统、自平衡机器人及介质，自平衡机器人包括前把及前把控制器，前把控制器为前把提供转向转矩，且该方法包括：获取该自平衡机器人的目标自平衡状态和当前自平衡状态；基于目标自平衡状态和当前自平衡状态，根据非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩；以及通过前把控制器将所述转向转矩提供给该前把，其中，目标自平衡状态包括目标自平衡侧倾角和目标运动速度，当前自平衡状态包括当前自平衡侧倾角和当前运动速度；非线性函数基于自平衡机器人的质量和质心位置、自平衡机器人的当前运动速度及目标运动速度、自平衡机器人的转动惯量、自平衡机器人的当前自平衡侧倾角及目标自平衡侧倾角所构造。

【技术实现步骤摘要】
自平衡机器人控制方法、系统、自平衡机器人及介质
本专利技术涉及人工智能及机器人领域，更具体地涉及一种自平衡机器人控制方法、系统、自平衡机器人及介质。
技术介绍
随着人工智能及机器人技术在民用和商用领域的广泛应用，基于人工智能及机器人技术的自平衡机器人在智能交通、智能家居等领域起到日益重要的作用，也面临着更高的要求。目前的自平衡机器人中包括前把转向系统，所述前把转向系统包括前轮、前把及前把控制器，该前把控制器为前把提供转向转矩。当自平衡机器人进行曲线运动(例如圆周运动)时，通过调节该自平衡机器人的前把转向角，能够控制该自平衡机器人处于目标自平衡状态。然而，在当前自平衡机器人中，通常采用线性控制器(例如设计线性前把控制器)来实现对于自平衡机器人的自平衡控制，然而，由于自平衡机器人在运动过程中呈现非线性状态，当利用线性控制器进行控制时，一方面，仅能够在可线性化的局部运动范围内实现良好控制，其控制灵活度及鲁棒性较差；另一方面，在将自平衡机器人的非线性动态模型进行线性化的过程中，牺牲了自平衡机器人的部分运动特性，由此设计的线性控制器的自平衡控制可靠性及稳定性较差。因此，需要一种在实现自平衡机器人自平衡，特别是自平衡机器人在曲线运动(例如圆周运动)过程中的自平衡的前提下，能够经由非线性控制器对该自平衡机器人的自平衡状态进行灵活且高精度控制的方法，且该方法具有良好的可靠性及稳定性，且具有较高的鲁棒性。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供了一种自平衡机器人控制方法、自平衡机器人控制系统、自平衡机器人及介质。利用本专利技术提供的自平衡机器人控制方法可以利用非线性控制器对该自平衡机器人进行自平衡控制，从而在实现自平衡机器人良好自平衡的基础上，基于该自平衡机器人的实际运动状态，实现灵活且高精度的控制，具有良好的可靠性及稳定性，且该方法具有良好的鲁棒性。根据本公开的一方面，提出了一种自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人包括前把及前把控制器，该前把控制器为前把提供转向转矩，且该方法包括：获取该自平衡机器人的目标自平衡状态和当前自平衡状态；基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩；以及通过所述前把控制器，将所述转向转矩提供给该前把，其中，所述目标自平衡状态包括目标自平衡侧倾角和目标运动速度，所述当前自平衡状态包括当前自平衡侧倾角和当前运动速度；所述非线性函数为基于所述自平衡机器人的质量和质心位置、所述自平衡机器人的当前运动速度及目标运动速度、所述自平衡机器人的转动惯量、以及所述自平衡机器人的当前自平衡侧倾角及目标自平衡侧倾角所构造的非线性函数。在一些实施例中，所述自平衡机器人包括主体部分及动量轮，所述主体部分包括所述前把及所述前把控制器，所述自平衡机器人的质量和质心位置包括所述自平衡机器人的主体部分的质量和质心位置、以及所述自平衡机器人的动量轮的质量和质心位置；以及所述自平衡机器人的转动惯量包括所述自平衡机器人的主体部分的转动惯量、以及所述自平衡机器人的动量轮的转动惯量。在一些实施例中，基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态根据非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩包括：计算该自平衡机器人的脚轮效应函数；根据该脚轮效应函数对该目标自平衡侧倾角进行校正处理，生成校正后的目标自平衡侧倾角；基于该校正后的目标自平衡侧倾角和当前自平衡侧倾角，根据所述非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩。在一些实施例中，所述校正后的目标自平衡侧倾角为：其中，θd为校正后的目标自平衡侧倾角，θeq为目标自平衡侧倾角，τΔ(θeq,δf)为自平衡机器人脚轮效应引起的误差量，δf为自平衡机器人的有效转向角，kp为正数，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量。在一些实施例中，所述自平衡机器人的主体部分包括前轮、后轮和后轮控制器，所述后轮控制器用于向所述后轮提供驱动转矩，所述自平衡机器人控制方法还包括：基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人后轮的驱动转矩；以及通过所述后轮控制器，将所述驱动转矩提供给该后轮。在一些实施例中，所述非线性函数包括：其中，uσ为自平衡机器人运行圆轨迹的曲率对时间的导数，uv为施加到自平衡机器人后轮的驱动转矩，B-1为矩阵B的逆矩阵，G＝[-1,1]T，v1为第一速度参量，v2为第二速度参量，且其中，矩阵B的表达式为：矩阵Ml的表达式为：第一速度参量v1及第二速度参量v2的表达式为：v2＝-kd2(V-Vd)，其中，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，m为自平衡机器人的总质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量，σ为该自平衡机器人圆运动的曲率，θeq为自平衡机器人的目标自平衡侧倾角，θ为自平衡机器人的当前自平衡侧倾角，为自平衡机器人当前侧倾角速度，b为自平衡机器人车架的后轮与地面的接触点沿第一特定方向距该自平衡机器人主体部分的质心在该第一特定方向上的投影点的水平距离，Vd为自平衡机器人的目标运动速度，V为该自平衡机器人的当前运动速度，kp,kd1及kd2为正数。在一些实施例中，所述非线性函数是基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性而确定的，其中，所述非线性函数的确定包括：基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性，构造该自平衡机器人的非线性动态模型；基于所述非线性动态模型，生成用于该前把控制的简化非线性动态模型；基于所述简化非线性动态模型，确定用于该自平衡机器人自平衡控制的非线性函数。在一些实施例中，基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性，构造该自平衡机器人的非线性动态模型包括：根据该自平衡机器人的动力学特性，构造该自平衡机器人的动力学模型；根据该自平衡机器人的平移运动特性，得到该自平衡机器人的平移运动特征模型；根据所述平移运动特征模型和该动力学模型，生成该自平衡机器人在平移运动下的非线性动态模型。在一些实施例中，所述自平衡机器人包括主体部分及动量轮，所述主体部分包括所述前把及所述前把控制器、前轮、后轮及后轮控制器，所述非线性动态模型为：其中，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，m为自平衡机器人的总质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量，σ为该自平衡机器人圆运动的曲率，uσ为自平衡机器人运行圆轨迹的曲率对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人包括前把及前把控制器，该前把控制器为前把提供转向转矩，且该方法包括：/n获取该自平衡机器人的目标自平衡状态和当前自平衡状态；/n基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩；以及/n通过所述前把控制器，将所述转向转矩提供给该前把，/n其中，所述目标自平衡状态包括目标自平衡侧倾角和目标运动速度，所述当前自平衡状态包括当前自平衡侧倾角和当前运动速度；/n所述非线性函数为基于所述自平衡机器人的质量和质心位置、所述自平衡机器人的当前运动速度及目标运动速度、所述自平衡机器人的转动惯量、以及所述自平衡机器人的当前自平衡侧倾角及目标自平衡侧倾角所构造的非线性函数。/n

【技术特征摘要】
1.一种自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人包括前把及前把控制器，该前把控制器为前把提供转向转矩，且该方法包括：
获取该自平衡机器人的目标自平衡状态和当前自平衡状态；
基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩；以及
通过所述前把控制器，将所述转向转矩提供给该前把，
其中，所述目标自平衡状态包括目标自平衡侧倾角和目标运动速度，所述当前自平衡状态包括当前自平衡侧倾角和当前运动速度；
所述非线性函数为基于所述自平衡机器人的质量和质心位置、所述自平衡机器人的当前运动速度及目标运动速度、所述自平衡机器人的转动惯量、以及所述自平衡机器人的当前自平衡侧倾角及目标自平衡侧倾角所构造的非线性函数。


2.如权利要求1所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人包括主体部分及动量轮，所述主体部分包括所述前把及所述前把控制器，
所述自平衡机器人的质量和质心位置包括所述自平衡机器人的主体部分的质量和质心位置、以及所述自平衡机器人的动量轮的质量和质心位置；以及
所述自平衡机器人的转动惯量包括所述自平衡机器人的主体部分的转动惯量、以及所述自平衡机器人的动量轮的转动惯量。


3.如权利要求2所述的自平衡机器人控制方法，
其中，基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态根据非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩包括：
计算该自平衡机器人的脚轮效应函数；
根据该脚轮效应函数对该目标自平衡侧倾角进行校正处理，生成校正后的目标自平衡侧倾角；
基于该校正后的目标自平衡侧倾角和当前自平衡侧倾角，根据所述非线性函数确定要提供给自平衡机器人前把的转向转矩。


4.如权利要求3所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述校正后的目标自平衡侧倾角为：



其中，θd为校正后的目标自平衡侧倾角，θeq为目标自平衡侧倾角，τΔ(θeq，δf)为自平衡机器人脚轮效应引起的误差量，δf为自平衡机器人的有效转向角，kp为正数，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量。


5.如权利要求2或3所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述自平衡机器人的主体部分包括前轮、后轮和后轮控制器，所述后轮控制器用于向所述后轮提供驱动转矩，所述自平衡机器人控制方法还包括：
基于所述目标自平衡状态和所述当前自平衡状态，根据非线性函数，确定要提供给自平衡机器人后轮的驱动转矩；以及
通过所述后轮控制器，将所述驱动转矩提供给该后轮。


6.如权利要求5所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述非线性函数包括：



其中，uσ为自平衡机器人运行圆轨迹的曲率对时间的导数，uv为施加到自平衡机器人后轮的驱动转矩，B-1为矩阵B的逆矩阵，G＝[-1，1]T，v1为第一速度参量，v2为第二速度参量，
且其中，矩阵B的表达式为：



矩阵Ml的表达式为：



第一速度参量v1及第二速度参量v2的表达式为：



v2＝-kd2(V-Vd)，
其中，m1为自平衡机器人除动量轮之外的主体部分的质量，m2为自平衡机器人的动量轮的质量，m为自平衡机器人的总质量，L1为自平衡机器人主体部分的质心高度，L2为自平衡机器人的动量轮的质心高度，I1为自平衡机器人主体部分的转动惯量，I2为自平衡机器人动量轮的转动惯量，σ为该自平衡机器人圆运动的曲率，θeq为自平衡机器人的目标自平衡侧倾角，θ为自平衡机器人的当前自平衡侧倾角，为自平衡机器人当前侧倾角速度，b为自平衡机器人车架的后轮与地面的接触点沿第一特定方向距该自平衡机器人主体部分的质心在该第一特定方向上的投影点的水平距离，Vd为自平衡机器人的目标运动速度，V为该自平衡机器人的当前运动速度，kp，kd1及kd2为正数。


7.如权利要求2所述的自平衡机器人控制方法，其中，所述非线性函数是基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性而确定的，其中，所述非线性函数的确定包括：
基于所述自平衡机器人的动力学特性及运动特性，构造该自平衡机器人的非线性动态模型；
基于所述非线性动态模型，生成用于该前把控制的简化非线性动态模型；
基于所述简化非线性...

【专利技术属性】
技术研发人员：王帅，崔磊磊，张正友，
申请(专利权)人：腾讯科技深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44