[发明专利]一种用于多障碍环境的两轮自平衡车自主避障方法

权利要求书

1.一种用于多障碍环境的两轮自平衡车自主避障方法，其特征在于，包括通过考虑安全距离改进人工势场函数的步骤、基于改进人工势场函数建立两轮自平衡车避障控制器的步骤、对避障控制器的关键参数使用模糊逻辑方法进行调节的步骤；

所述通过考虑安全距离改进人工势场函数的步骤，具体为：将安全距离引入现有斥力势场函数中，表达式为：

引力势场表达式为：

其中，σ∈R⁺为一定大小的安全距离，U_o(p)为障碍物产生的斥力势场，U_t(p)为目标点产生的引力势场，k_r∈R⁺为斥力势场增益系数，k_a∈R⁺为引力势场增益系数，p＝(x,y)，p_o＝(x_o,y_o)和p_t＝(x_f,y_f)分别代表机器人、障碍物和目标点的位置，R_o为斥力势场的影响范围，ρ(p,p_t)为机器人与目标点之间的距离，ρ(p,p_o)为机器人与障碍物之间的最短距离，ε为一个设计参数满足ε≥1；

所述基于改进人工势场函数建立两轮自平衡车避障控制器的步骤，具体为：采用人工势场合力F_r(p)的方向信息δ控制两轮自平衡车的转向运动，采用人工势场合力F_r(p)的大小信息F_r控制两轮自平衡车的前向运动：

其中，

其中，和分别是从障碍物指向机器人以及从机器人指向目标点的单位矢量,F_oi(p)为第i个障碍物作用在两轮自平衡车上的斥力，N＝1,2,3,...为传感器探测范围ρ₀内的障碍物数目,I_r＝∫F_rdt，δ为从两轮自平衡车纵向位移x_v的方向到F_r(p)方向的角度，为两轮自平衡车转向角，θ为车身倾角，k、k₁、k₂、k₃、k₄、k₅和k₆为7个设计参数；F_t(p)为目标点所产生的引力，F_o(p)为障碍物产生的斥力；

所述对避障控制器的关键参数使用模糊逻辑方法进行调节的步骤，具体为：根据势场合力大小F_r和车身倾角大小|θ|调节所述避障控制器中的关键参数k，调节原则为“F_r越大，k越小；|θ|越大，k越小”。

2.根据权利要求1所述一种用于多障碍环境的两轮自平衡车自主避障方法，其特征在于，所述改进人工势场函数中的两个参数k_a和k_r满足如下关系：

当ε＝2时，其中，

当ε＞2时，其中，

当1≤ε＜2时，其中，ρ^*＝(1-ε/2)/[2(z-σ)],

其中z为目标点与附近障碍物之间的最短距离，满足z＝ρ(p,p_o)-ρ(p,p_t)＞σ。

3.根据权利要求1所述一种用于多障碍环境的两轮自平衡车自主避障方法，其特征在于，所述避障控制器的相关参数满足如下关系：

1-4a₁a₂≤0且a₁＞0

或

1-4a₁a₂＞0且

其中，a₁＝2J₂/(m_bLλ₃)，a₂＝(λ₂-g)/λ₃，λ₂＝k₅/Υ，λ₃＝k₆/Υ，Υ＝κ(2m_w+m_c+m_b)r，κ为两轮自平衡车旋转质量转换系数，g为重力加速度，m_ω为车轮质量，m_c为底盘质量，m_b为车身质量，r为车轮半径，L为车身质心到轮轴的距离，J₂＝I₄/2+I₆/2+m_bL²/2,I₄为底盘绕轮轴的转动惯量，I₆为车身绕轮轴的转动惯量。