[发明专利]基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡方法及装置，其中，该方法包括：将双轮机器人系统设置为多连杆多关节系统，在多连杆多关节系统中定义多个坐标系并计算出双轮机器人系统的拖曳距范围；根据多连杆多关节系统所受的闭环运动链和双轮机器人系统的车轮几何特性建立两个约束方程并建立运动学模型；利用第一类拉格朗日方程对运动学模型进行求解得到双轮机器人动力学模型，并对可控性矩阵的奇异值、闭环控制器的吸引域和控制代价进行分析，根据分析结果在拖曳距范围中确定出符合控制需求的拖曳距。该方法能反映在不同拖曳距下车把转角与质心高度变化的非线性关系，并能为拖曳距的选取提供一套分析流程，提高静止平衡的控制效果。

技术领域

本发明涉及机械系统建模与动力学分析技术领域，特别涉及一种基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡方法及装置。

背景技术

拖曳距是车把转轴和地面的交点与前轮地面接触点间的距离，对双轮机器人利用车把转向的平衡控制有着重要的影响。

对于拖曳距不为零的双轮机器人，转动车把能微调机器人的质心高度，防止倾倒。当双轮机器人的速度达到一定程度时，地面提供的回复力矩使前轮转轴无需额外控制力也能将机器人自动扶正；但当双轮机器人处于超低速甚至静止时，这种自稳性消失，此时的平衡主要依靠车把转向实现。由此可知，对于更具挑战性的静止平衡，拖曳距成为了关键。现有的车把转向静止平衡研究指出，基于正拖曳距设计的控制器，吸引域较小、鲁棒性较差，因此探究拖曳距对控制性能的影响就很有必要。然而，目前的研究都仅针对固定拖曳距的机器人进行建模，且将质心高度变化简化为线性模型。这样的模型不足以分析拖曳距的影响，为此迫切需要建立适用于任意拖曳距的动力学模型。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡方法，该方法可以反映在不同拖曳距下车把转角与质心高度变化的非线性关系，并且能为拖曳距的选取提供一套分析流程，以提高静止平衡的控制效果。

本发明的另一个目的在于提出一种基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡装置。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡方法，包括：

S1，在检测双轮机器人系统满足预设等效设置条件时，将所述双轮机器人系统设置为多连杆多关节系统，并在所述多连杆多关节系统中定义多个坐标系，根据所述多个坐标系的几何关系计算出所述双轮机器人系统的拖曳距范围；

S2，根据所述多连杆多关节系统所受的闭环运动链和所述双轮机器人系统的车轮几何特性建立两个约束方程，并根据所述两个约束方程建立运动学模型；

S3，利用第一类拉格朗日方程对所述运动学模型进行求解得到双轮机器人动力学模型，并根据所述双轮机器人动力学模型对可控性矩阵的奇异值、闭环控制器的吸引域和控制代价进行分析，根据分析结果在所述拖曳距范围中确定出符合控制需求的拖曳距。

本发明实施例的基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡方法，首先根据运动约束，从多刚体系统的角度将双轮机器人等效为前后两车体铰接的多连杆多关节系统。其次基于系统的闭环运动链和车轮与地面的接触特性，建立两个约束方程，得出系统的运动学模型。随后利用第一类拉格朗日方程推导系统的动力学模型。最后，从系统可控性矩阵的奇异值、闭环控制器吸引域和控制能耗三个方面来分析拖曳距对静止平衡的影响。可以反映在不同拖曳距下车把转角与质心高度变化的非线性关系，并且能为拖曳距的选取提供一套分析流程，以提高静止平衡的控制效果。

另外，根据本发明上述实施例的基于拖曳距的双轮机器人建模与静止平衡方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预设等效设置条件，包括：

设定后车体质心仅包括滚转和由车把转向引起的俯仰；