[發明專利]一種多源傳感器數據融合的自平衡機器人控制系統和控制方法

在審

• 申請號: 201811244545.1
• 申請日: 2018-10-24
• 公開（公告）號: CN109108936A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 彭倍;徐源正;代小林;于慧君;魏敦文
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;B25J9/16;B25J13/00
• 代理公司: 成都睿道專利代理事務所(普通合伙) 51217
• 代理人: 薛波

本發明公開了一種基于多源傳感器數據融合的自平衡機器人控制系統和控制方法，包括以下步驟：獲取加速度計數據和磁力計數據，然后根據加速度計數據和磁力計數據計算初步姿態；再獲取陀螺儀數據并轉換為旋轉矢量，然后與初步姿態融合，得到準確的機器人姿態，最后通過準確的機器人姿態和電機編碼器反饋的速度控制電機的轉動以控制機器人姿態。本發明通過姿態角信息進行濾波降噪之后再進行融合和電機編碼器反饋的信息控制電機的轉動實現對機器人姿態的控制從而實現機器人的自平衡以及運動，得到結合自平衡機器人物理特性、電機響應特性的改進型PID控制方法，能夠更準確更穩定的對自平衡機器人實現運動控制。

技術領域

本發明屬于移動機器人技術領域，具體涉及一種多源傳感器數據融合的自平衡機器人控制系統和控制方法。

背景技術

移動機器人目前已經越來越廣泛的應用于各個行業中，具有廣闊的應用前景。自平衡機器人是一種特殊的輪式移動機器人，其概念最早由日本東京電信大學自動化系的山藤一雄教授于二十世紀八十年代提出。雙輪自平衡機器人具有體積小、轉彎半徑為零、車身靈活等優點，因此適用于以擁擠的城市環境為代表的多種狹窄場景。平衡機器人的技術關鍵在于能持續保持平衡，并能在平衡中前進、后退、轉彎。因此其運動控制技術為自平衡機器人技術的核心，對自平衡機器人運動控制技術的研究有著重要的意義，也有著極大的工程應用價值。

近年來，隨著機器人的熱潮以及科學技術的發展，機器人的運動控制技術也有了很大的提高。現有技術中運動控制技術多為反饋控制，首先通過傳感器的數據獲得機器人的姿態信息，之后根據姿態信息進行反饋控制。其中主要使用的是傳感器的數據處理技術和PID控制技術，現有技術中一般為將傳感器數據進行簡易的加權平均計算，并將加權平均后的值作為融合后的最終結果，該方法運算速度快，但不能準確并最大效率利用各傳感器數據。現有技術中還有一種方式是采用將慣性/磁力傳感器與單目視覺信息融合的SLAM方法對數據進行處理，該方法能夠較為準確的獲得機器人的姿態信息，但由于傳感器數量多且體積較大，數據處理與計算需要工控機之類體積較大的設備，因此不適用于自平衡機器人。PID控制方法是經典控制算法中的典型代表，由美國N.Minorsky在1922年提出，PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e(t)與輸出u(t)的關系為u(t)＝kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt]。其中比例參數kp可以加快系統的響應速度，但比例控制有個缺點，會產生余差，因此引入積分作用，可以消除累積誤差。微分作用主要用來克服對象的滯后性。

由PID控制算法衍生出了專家PID、模糊PID、神經網絡PID、遺傳算法PID、自適應PID控制方法。傳統的PID控制算法雖然穩定余度不小，但具有良好的動態品質余度不大，當處在動態環境下時，傳統PID算法并不適用。而衍生出的其他幾種PID算法則由于計算量大，算法復雜度高，并不適用于自平衡機器人這樣體積小，只可以搭載小重量硬件的平臺。

發明內容

本發明的目的在于：解決上述現有技術中的不足，提供一種多源傳感器數據融合的自平衡機器人控制系統和控制方法，將磁力計、陀螺儀、加速度計、編碼器所獲得的數據融合，得到結合自平衡機器人物理特性、電機響應特性的改進型PID控制方法，能夠更準確更穩定的對自平衡機器人實現運動控制。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于多源傳感器數據融合的自平衡機器人控制系統，包括MPU6050模塊和磁力計，MPU6050模塊包括加速度計和陀螺儀,MPU6050模塊和磁力計與電機通訊連接。

一種基于多源傳感器數據融合的自平衡機器人控制方法，應用上述的基于多源傳感器數據融合的自平衡機器人控制系統，包括以下步驟：

步驟一：獲取加速度計數據和磁力計數據；

步驟二：根據加速度計數據和磁力計數據計算初步姿態；