[发明专利]一种两轮自平衡车集中式编队控制方法

说明书

本发明公开了一种两轮自平衡车集中式编队控制方法，包括：计算跟随平衡车的理想位置信息；由跟随平衡车当前的实际位置信息和所述理想位置信息，计算跟随平衡车的位置误差；采用运动学控制器根据位置误差输出控制跟随机器人的理想线速度和理想角速度；若理想角速度旋转的角度与跟随平衡车实际旋转的角度相同则向跟随平衡车输出理想角速度；否则构建增量式PD控制器，根据采样时间内旋转的角度误差输出实际角速度至跟随平衡车；若按照理想线速度运行的坐标与跟随平衡车实际运行的坐标相同，则向跟随平衡车输出理想线速度；根据采样时间内运行的坐标误差输出实际线速度至跟随平衡车。本发明的实现平衡车保持队形的同时稳定运行。

技术领域

本申请属于移动机器人的编队控制领域，具体涉及一种两轮自平衡车集中式编队控制方法。

背景技术

随着机械结构和工业设计的发展，两轮自平衡智能体引起了研究人员的极大关注。两轮自平衡智能体所占空间小并且运动灵活，制造成本低，适用于现代社会生活和工业生产以及科研探索的诸多领域。如今随着应用功能的日趋复杂，通过单一智能体已无法完成所有工作流程，如无人机编队飞行，多卫星协同运行、智能车的编队运输等等，此需要多个智能体协同合作完成任务。在多智能体的协同控制研究中，又分为多智能体蜂拥控制研究、智能体编队控制研究、多智能体一致性研究等几大类，其中多智能体编队控制是本案的研究重点。

智能体编队控制是一种多个智能体在达到目标队形的过程中，既能组成目标队形，又可以适应具体的环境约束的一种控制方法。多智能体编队控制已有许多成熟的控制方法，例如基于领航-跟随者方法、虚拟结构法、基于行为的方法、基于图论、势能法的方法。虽然目前的控制方法能够对智能体的编队进行精确控制，但大多采用结构较为稳定的智能体，如四轮小汽车模型、两轮差速外加一个支撑轮模型、三轮全驱模型等智能体的编队控制。两轮平衡车由于受本身稳定性因素的影响，对其编队控制研究的内容较少。自平衡车的在运动的过程中，由于需要维持本身的平衡，所以控制平衡车的线加速度和角加速度不能过大。当轨迹路线过于复杂时，跟随平衡车为了跟踪轨迹并保持队形，会出现突然过快加速的情况，在这样较大的加速度下，平衡车自身平衡会受到很大冲击。

发明内容

本申请的目的在于提供一种两轮自平衡车集中式编队控制方法，实现平衡车保持队形的同时稳定运行。

为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：

一种两轮自平衡车集中式编队控制方法，所述两轮自平衡车集中式编队控制方法，包括：

步骤S1、根据领航平衡车的位置信息和目标队形结构，计算跟随平衡车的理想位置信息，所述位置信息包括坐标和方位角；

步骤S2、由跟随平衡车当前的实际位置信息和所述理想位置信息，计算跟随平衡车的位置误差，所述位置误差包括坐标误差和方位角误差；

步骤S3、构建运动学控制器，采用运动学控制器根据位置误差输出控制跟随机器人的理想线速度和理想角速度；

步骤S4、判断采样时间内按照理想角速度旋转的角度与跟随平衡车实际旋转的角度是否相同，若相同则向跟随平衡车输出理想角速度；否则构建增量式PD控制器，根据采样时间内旋转的角度误差输出实际角速度至跟随平衡车；

步骤S5、判断采样时间内按照理想线速度计算的坐标与跟随平衡车实际运行的坐标是否相同，若相同则向跟随平衡车输出理想线速度；否则构建预测控制器，根据采样时间内运行的坐标误差输出实际线速度至跟随平衡车。

作为优选，所述根据领航平衡车的位置信息和目标队形结构，计算跟随平衡车的理想位置信息，包括：

步骤S1.1、定义(x y θ)^T为一阶非完整性轮式平衡车在世界坐标系下的横坐标、纵坐标和方位角，则平衡车的运动学方程为：

其中，v为平衡车当前的实际线速度，ω为平衡车当前的实际角速度；