[發明專利]一種兩輪自平衡車集中式編隊控制方法

有效

• 申請號: 202010060834.7
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111399500B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發明（設計）人: 董輝;袁登鵬;董浩;吳祥;吳宇航;田叮;童濤;錢學成;夏啟劍
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊天嬌

本發明公開了一種兩輪自平衡車集中式編隊控制方法，包括：計算跟隨平衡車的理想位置信息；由跟隨平衡車當前的實際位置信息和所述理想位置信息，計算跟隨平衡車的位置誤差；采用運動學控制器根據位置誤差輸出控制跟隨機器人的理想線速度和理想角速度；若理想角速度旋轉的角度與跟隨平衡車實際旋轉的角度相同則向跟隨平衡車輸出理想角速度；否則構建增量式PD控制器，根據采樣時間內旋轉的角度誤差輸出實際角速度至跟隨平衡車；若按照理想線速度運行的坐標與跟隨平衡車實際運行的坐標相同，則向跟隨平衡車輸出理想線速度；根據采樣時間內運行的坐標誤差輸出實際線速度至跟隨平衡車。本發明的實現平衡車保持隊形的同時穩定運行。

技術領域

本申請屬于移動機器人的編隊控制領域，具體涉及一種兩輪自平衡車集中式編隊控制方法。

背景技術

隨著機械結構和工業設計的發展，兩輪自平衡智能體引起了研究人員的極大關注。兩輪自平衡智能體所占空間小并且運動靈活，制造成本低，適用于現代社會生活和工業生產以及科研探索的諸多領域。如今隨著應用功能的日趨復雜，通過單一智能體已無法完成所有工作流程，如無人機編隊飛行，多衛星協同運行、智能車的編隊運輸等等，此需要多個智能體協同合作完成任務。在多智能體的協同控制研究中，又分為多智能體蜂擁控制研究、智能體編隊控制研究、多智能體一致性研究等幾大類，其中多智能體編隊控制是本案的研究重點。

智能體編隊控制是一種多個智能體在達到目標隊形的過程中，既能組成目標隊形，又可以適應具體的環境約束的一種控制方法。多智能體編隊控制已有許多成熟的控制方法，例如基于領航-跟隨者方法、虛擬結構法、基于行為的方法、基于圖論、勢能法的方法。雖然目前的控制方法能夠對智能體的編隊進行精確控制，但大多采用結構較為穩定的智能體，如四輪小汽車模型、兩輪差速外加一個支撐輪模型、三輪全驅模型等智能體的編隊控制。兩輪平衡車由于受本身穩定性因素的影響，對其編隊控制研究的內容較少。自平衡車的在運動的過程中，由于需要維持本身的平衡，所以控制平衡車的線加速度和角加速度不能過大。當軌跡路線過于復雜時，跟隨平衡車為了跟蹤軌跡并保持隊形，會出現突然過快加速的情況，在這樣較大的加速度下，平衡車自身平衡會受到很大沖擊。

發明內容

本申請的目的在于提供一種兩輪自平衡車集中式編隊控制方法，實現平衡車保持隊形的同時穩定運行。

為實現上述目的，本申請所采取的技術方案為：

一種兩輪自平衡車集中式編隊控制方法，所述兩輪自平衡車集中式編隊控制方法，包括：

步驟S1、根據領航平衡車的位置信息和目標隊形結構，計算跟隨平衡車的理想位置信息，所述位置信息包括坐標和方位角；

步驟S2、由跟隨平衡車當前的實際位置信息和所述理想位置信息，計算跟隨平衡車的位置誤差，所述位置誤差包括坐標誤差和方位角誤差；

步驟S3、構建運動學控制器，采用運動學控制器根據位置誤差輸出控制跟隨機器人的理想線速度和理想角速度；

步驟S4、判斷采樣時間內按照理想角速度旋轉的角度與跟隨平衡車實際旋轉的角度是否相同，若相同則向跟隨平衡車輸出理想角速度；否則構建增量式PD控制器，根據采樣時間內旋轉的角度誤差輸出實際角速度至跟隨平衡車；

步驟S5、判斷采樣時間內按照理想線速度計算的坐標與跟隨平衡車實際運行的坐標是否相同，若相同則向跟隨平衡車輸出理想線速度；否則構建預測控制器，根據采樣時間內運行的坐標誤差輸出實際線速度至跟隨平衡車。

作為優選，所述根據領航平衡車的位置信息和目標隊形結構，計算跟隨平衡車的理想位置信息，包括：

步驟S1.1、定義(x?y?θ)^T為一階非完整性輪式平衡車在世界坐標系下的橫坐標、縱坐標和方位角，則平衡車的運動學方程為：

其中，v為平衡車當前的實際線速度，ω為平衡車當前的實際角速度；