[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

说明书

本发明涉及一种用于多障碍环境的两轮自平衡车自主避障方法，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。所提出的新型人工势场函数，不仅能够克服障碍物在目标点附近时产生的局部极小问题，还能更加有效的保证移动机器人的运动安全，可用于多种类型的自主移动平台避障控制。本申请是一种针对欠驱动、非完整两轮自平衡车在多障碍环境下的有效避障方案，可实现控制稳定性与运动效率的良好平衡。

技术领域

本发明属于两轮自平衡车控制领域，具体而言是一种用于多障碍环境的两轮自平衡车自主避障方法。

背景技术

两轮自平衡车在实际应用过程中，例如家居服务、工业生产、交通运输和未知环境探测等，不可避免的会遇到各种障碍物，因此，开发一种用于多障碍环境下的两轮自平衡车避障方法具有重要的现实意义。然而，作为一种典型的本质不稳定的非完整和欠驱动系统，多障碍环境下的两轮自平衡车有效避障控制极具挑战性。

申请号为201410448977.X的中国专利提出了一种基于模糊控制的两轮自平衡机器人避障系统及控制方法，其避障控制依赖于人类通过遥控器发送的控制指令，无法实现机器人的自主避障控制。申请号为201710835076.X的中国专利提出了一种基于圆弧和过渡曲线的避障轨迹规划方法与基于非奇异终端滑模和嵌套饱和算法的稳定跟踪控制方法，可用于两轮自平衡车的主动避障。然而，该方法主要针对单个障碍物环境，无法用于多障碍环境下的两轮自平衡车自主避障。

发表在《The International Journal of Robotics Research》1986年第5卷第1期上的论文“Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots”提出了一种用于多障碍环境下机器人实时避障的人工势场法；然后，为了解决传统人工势场法在目标附近有障碍物时的目标不可达问题，发表在《IEEE Transactions on Roboticsand Automation》2000年第16卷第5期上的论文“New potential functions for mobilerobot path planning”将机器人与目标之间的距离考虑到势场函数中，提出了一种新的人工势场函数。另外，发表在《IEEE Access》2017年第5期上的论文“Collision avoidancefor cooperative UAVs with optimized artificial potential field algorithm”针对无人飞行器系统提出了一种优化的人工势场算法。然而，在这些研究中，机器人都被看作质点且可以在任意方向产生加速度，这是一个实用的两轮自平衡车所不满足的条件。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于改进人工势场和模糊逻辑的两轮自平衡车控制方法，可实现其在多障碍环境下的自主避障。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于多障碍环境的两轮自平衡车自主避障方法，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，以确保两轮自平衡车在距离障碍物一定安全距离时，人工势场产生足够大的斥力，并给出消除局部极小问题的势场参数选择条件。

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：在充分考虑两轮自平衡车欠驱动和非完整特点的基础上，利用人工势场合力的方向信息控制两轮自平衡车的转向运动，同时利用人工势场合力的大小信息控制两轮自平衡车的前向运动，并给出确保系统稳定的控制参数选择条件。