[發明專利]兩輪自平衡車主動避障軌跡規劃與穩定跟蹤控制方法

在審

• 申請號: 201710835076.X
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107479556A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 岳明;寧一高;楊路;賈瑞明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 大連智高專利事務所(特殊普通合伙)21235
• 代理人: 蓋小靜

本發明涉及一種兩輪自平衡車主動避障軌跡規劃與穩定跟蹤控制方法，包括基于圓弧和過渡曲線的避障軌跡規劃方法與基于非奇異終端滑模和嵌套飽和算法的穩定跟蹤控制方法。所述局部軌跡規劃方法所規劃的軌跡包括換道軌跡、超越軌跡和并道軌跡。所述非奇異終端滑模算法控制兩輪自平衡車的全驅動轉向子系統，所述嵌套飽和算法控制兩輪自平衡車的欠驅動前向子系統。本發明所規劃的避障軌跡，具有軌跡曲率變化平緩，便于欠驅動兩輪自平衡車穩定跟蹤的特點；所提出的穩定跟蹤控制算法，能夠使兩輪自平衡車在較大車身傾角初值下，穩定跟蹤所規劃的避障軌跡，同時保持車身穩定，從而實現兩輪自平衡車的主動避障。

技術領域

本發明屬于兩輪自平衡車控制領域，具體而言是一種兩輪自平衡車主動避障軌跡規劃與穩定跟蹤控制方法。

背景技術

兩輪自平衡車作為單級倒立擺系統的擴展，不僅是驗證相關控制理論的理想實驗平臺，而且在休閑娛樂、醫療器械、空間探測等諸多方面具有重要的實際應用價值。能否主動規避行進過程中遇到的障礙物，是兩輪自平衡車智能化程度高低的重要標志之一。

目前，關于避障控制的研究主要針對全驅動機器人，而對于欠驅動兩輪自平衡車主動避障方面的研究鮮有報道。例如，申請號為201610118977.2的中國專利，提出了一種“自平衡兩輪平衡車及控制方法”，該平衡車主要包括左右車輪、橫梁和移動平臺，通過平衡驅動電機自動調節移動平臺，使自平衡車自動調整重心，保持平衡，并未涉及兩輪自平衡車的避障控制。申請號為201610573390.0的中國專利，提出了一種“移動機器人路徑規劃和避障方法及系統”，根據障礙物信息建立二維柵格地圖，采用跳點搜索算法獲取最短路徑，從而實現移動機器人的自主導航。但該方法主要針對全驅動機器人，欠驅動兩輪自平衡車難以穩定跟蹤此方法規劃出的軌跡。申請號為201410448977.X的中國專利提出了一種“基于模糊控制的兩輪自平衡機器人避障系統及控制方法”，其系統包括姿態檢測模塊、運動控制模塊和運動執行模塊，通過遙控器按鍵向兩輪自平衡機器人發送控制指令，實現其前進、后退、自旋、定點平衡。機器人根據障礙物距離信息和模糊規則，來做出對應的轉向，實現避障。該專利的實施需要借助遙控器，無法實現兩輪自平衡機器人的主動避障。

綜上，現有控制方法難以實現兩輪自平衡車的主動避障控制。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種兩輪自平衡車主動避障軌跡規劃與穩定跟蹤控制方法，使得兩輪自平衡車在行進過程中遇到障礙物時，可以無碰撞的主動避開障礙物，并回到既定行駛路線上，同時保持車身穩定。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：兩輪自平衡車主動避障軌跡規劃與穩定跟蹤控制方法，包括：基于圓弧和過渡曲線的避障軌跡規劃方法、基于非奇異終端滑模和嵌套飽和算法的穩定跟蹤控制方法；所述避障軌跡規劃方法規劃出的軌跡包括換道、超越和并道三部分；所述穩定跟蹤控制方法，首先將兩輪自平衡車實際位姿對于避障軌跡所確定的參考位姿的跟蹤,在考慮非完整約束的情況下，轉化為實際前向速度和轉向角速度對于期望前向速度和轉向角速度的跟蹤，然后將整個兩輪自平衡車系統解耦為全驅動轉向子系統和欠驅動前向子系統分別進行控制。

進一步的，換道軌跡，包括第1過渡軌跡、第1圓弧軌跡、第2過渡軌跡、第2圓弧軌跡、第3過渡軌跡；所述第1過渡軌跡分別與避障開始前的直線行駛軌跡和第1圓弧軌跡連接，其表達式為x(t)＝v₀t，以避障開始點位置為大地坐標系原點，以避障開始時刻為零時刻，其中，v₀為兩輪自平衡車的前向速度，0≤t≤t₁，R為第1圓弧軌跡的曲率半徑，J為兩輪自平衡車所允許的最大橫向加加速度；所述第2圓弧軌跡與第1圓弧軌跡的曲率半徑R及所對應的圓心角ψ大小相等，所述第2圓弧軌跡與第1圓弧軌跡的凹向相反，其軌跡表達式根據勻速圓周運動的參數方程確定；所述第2過渡軌跡分別與第1圓弧軌跡和第2圓弧軌跡連接，其表達式為