[发明专利]一种冰壶投掷机器人运动控制系统及其滚动时域优化方法

权利要求书

1.一种冰壶投掷机器人滚动时域优化方法，基于一种冰壶投掷机器人运动控制系统，包括小车底盘、惯性传感器、光电码盘、摄像头、电控单元、机械手、无线通信模块和电源模块，其中，

所述小车底盘包括小车支架、万向轮、驱动轮及驱动电机，用于承载并受所述电控单元带动所述惯性传感器、光电码盘、摄像头、电控单元、机械手、无线通信模块和电源模块运动；

所述惯性传感器用于获取小车的角速度、加速度信息，并传输至所述电控单元；

所述光电码盘用于获取小车的车轮角速度信息，并传输至所述电控单元；

所述摄像头用于获取冰壶场地边界信息及标志点像素坐标，并传输至所述电控单元；

所述电控单元内置有执行滚动时域优化控制方法的程序，用于融合所述惯性传感器、光电码盘、摄像头和无线通信模块传入的信息，自主规划小车轨迹并控制小车以准确的速度及角度到达前卫线并释放冰壶；

所述机械手用于受所述电控单元控制抓取和投掷冰壶；

所述无线通信模块用于和外部通信，接收冰壶出手速度和角度的期望值信息，并传输至电控单元；

所述电源模块用于给所述小车底盘、惯性传感器、光电码盘、摄像头、电控单元、机械手和无线通信模块供能；

所述万向轮和驱动轮的轮胎为冰面轮胎；

所述驱动电机的最大功率P_max及小车底盘最大行驶速度v_max的计算方法为：

其中，μ为车轮与冰面的摩擦系数；m₁为冰壶质量；g为重力加速度；S₁为前卫线至营垒中心的距离；S₂为本垒中心至前卫线的距离；m₂为冰壶投掷机器人质量，

其特征在于，所述滚动时域优化方法包括以下步骤：

步骤一：建立冰壶投掷机器人的运动方程；

步骤二：确定滚动时域优化控制的性能指标及约束条件；

步骤三：根据冰壶投掷机器人的运动方程和滚动时域优化控制的性能指标及约束条件，设计MPC控制器并求解优化问题，得到应施加在冰壶投掷机器人左右车轮上的驱动力矩u＝[T₁ T₂]^T，其中，T₁为小车左轮输出力矩；T₂为小车右轮输出力矩；

步骤四：针对步骤三中得到的应施加在冰壶投掷机器人左右车轮上的期望驱动力矩u＝[T₁ T₂]^T，设计电机控制器，控制左右车轮的电机实现期望驱动力矩的输出，

步骤一中，具体的，首先，建立冰壶投掷机器人的轨迹方程：

式中，θ为冰壶投掷机器人的姿态角度；X、Y为冰壶投掷机器人的坐标位置；θ₀、X₀、Y₀为冰壶投掷机器人的初始位置；ω₁为小车左轮角速度；ω₂为小车右轮角速度；r为小车车轮半径，

结合轨迹方程，建立冰壶投掷机器人的运动方程：

式中，x_p和y_p为冰壶投掷机器人的位置信息；v为冰壶投掷机器人的速度；T₁为小车左轮输出力矩；T₂为小车右轮输出力矩；J为车轮的转动惯量；m为冰壶投掷机器人的总重量；g为重力加速度；μ为车轮与冰面的摩擦系数，

进一步取系统状态变量x和控制输入u分别为：

u＝[T₁ T₂]^T

可得冰壶投掷机器人运动方程的简写形式：

式中，f是由冰壶投掷机器人运动方程中的线性和非线性函数构成的函数向量。