[发明专利]一种自平衡机器人姿态控制方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，更具体地说，涉及一种自平衡机器人姿态控制方法及系统。

背景技术

自平衡机器人的想法来自于倒立摆模型，如果摆倒向左边，为了保证平衡，倒立摆的底部必须也向左侧移动。两轮自平衡机器人系统的两个车轮位于同一轴线，并分别由伺服电机独立驱动，机器人的重心在两车轮轴上方，通过运动保持动态自平衡。由于结构特殊，两轮自平衡机器人体积小、运动灵活、适应地形变化能力强、能够方便地实现零半径回转，适于在狭小和危险的工作空间内活动、能够胜任一些复杂环境里的工作。相比传统轮式机器人，两轮自平衡机器人可以进行更为紧凑的结构设计并且减轻自重。此外，由于自平衡机器人独特的结构，一个自平衡机器人可以作为各种控制算法的实验平台，通过机器人的表现性能来对控制算法进行验证。

姿态控制是两轮自平衡机器人研究的核心内容，良好的姿态控制可以使两轮自平衡机器人实现站立及移动，同时为接下来的速度及位置控制提供基础。目前已有的两轮自平衡产品是以载人为设计目标、重心随时可调整，这样的设计使得人体在姿态控制环境内，可以通过人自身的重心调节来达到平衡状态，降低了姿态控制的难度。而对于不载人的自平衡机器人而言，其重心固定无法像载人平衡车一样通过人体调节来改变姿态，而且自平衡机器人由于结构设计原因不能保证重心绝对的垂直于水平面，因此传统姿态控制算法无法解决上述问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种自平衡机器人姿态控制方法中，用以解决现有技术的不足，实现了解决重心偏置设置、姿态检测方法和PID参数可调的姿态控制方法。该方法对于各类不同重心偏置的自平衡机器人均能实现姿态控制。

本发明解决上述技术问题，提供如下解决的技术方案：一种自平衡机器人姿态控制系统，该系统包括主控制模块、电机驱动模块、传感器模块、参数调整模块；所述参数调整模块包括PID控制器，用于机器人控制系统中关于PID参数的调整，其中，所述PID参数包括PID初始量、PID控制量和PID反馈量，所述PID参数通过CAN帧格式初始化，用于实现不断电地实时进行自平衡机器人的重心矫正调试；所述传感器模块、参数调整模块和电机驱动模块分别与主控制模块相互通信连接进行控制。

在本发明的自平衡机器人姿态控制系统中，所述PID初始量为自平衡机器人在静止时检测机器人重心与铅直线的偏置角度，所述PID反馈量为自平衡机器人的传感器采集数据进行滤波后得到的姿态倾角；PID控制量由主控制模块自定义。

在本发明的自平衡机器人姿态控制系统中，该系统还包括滤波器模块，其中，所述滤波器模块采用卡尔曼滤波器滤波，能够有效地滤除传感器采集数据的噪声和干扰，得到机器人稳定的姿态倾角。

在本发明的自平衡机器人姿态控制系统中，所述主控制模块采用数字信号处理芯片作为主控芯片，分别通过不同地通信方式与传感器和电机驱动模块进行通信；所述传感器模块包括加速度计和陀螺仪的六轴运动传感器，并将陀螺仪的输出值作为滤波器模块的状态控制量、加速度计的输出值作为滤波器模块的输入量，该输入量经过滤波器模块得到稳定的机器人姿态倾角。

在本发明的自平衡机器人姿态控制系统中，所述主控制模块通过I2C通信方式与传感器模块相互通信连接，所述主控制模块与滤波器模块相连接，所述主控制模块通过CAN通信方式与电机驱动模块相互通信连接，所述主控制模块通过CAN通信方式与参数调整模块相互通信连接。

在本发明的自平衡机器人姿态控制系统中，所述主控制模块通过I2C通信方式与传感器模块相互通信连接，所述主控制模块通过CAN通信方式接收外部指令，所述主控制模块通过CAN通信方式与电机驱动模块相互通信连接。

在本发明的自平衡机器人姿态控制系统中，所述主控制模块通过CAN帧ID值的不同来区分重心偏置数据和PID参数，其中，所述重心偏置数据为自平衡机器人在运动时检测机器人重心与铅直线的偏置角度。

本发明还包括一种自平衡机器人姿态控制方法，该方法包括如下步骤：

S1、自平衡机器人的参数调整模块对该机器人的重心进行重心矫正操作并进行上电运行；

S2、所述自平衡机器人的主控制模块对机器人进行初始化设置；

S3、所述主控制模块驱动电机运行；

S4、所述主控制模块判断定时中断是否产生，如果是则进行步骤S5，否则进行步骤S4；

S5、所述主控制模块通过传感器模块检测出机器人的姿态倾角并通过滤波器模块进行过滤整合得到稳定的姿态倾角；