CN104483968A - 一种基于pid的四轮全向足球机器人运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法，包括：采集机器人各轮子的期望速度和机器人当前实际速度，获取期望速度和当前实际速度获取之间的偏差值；比较偏差值与设定阈值ε，当|偏差值|＞ε时，采用PD调节；当|偏差值|≤ε时，采用PID调节；由PD调节或PID调节获取输出信号U(k)的正负设置机器人的旋转方向，当U(k)≥0，机器人顺时针旋转，否则机器人逆时针旋转；比较|U(k)|与设定的输出阈值Umax，当|U(k)|＞Umax，则输出U(k)作为驱动机器人电机的PWM信号，否则，输出Umax作为驱动机器人电机的PWM信号，电机根据输出信号调节各个车轮的速度。

Description

一种基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法

技术领域

本发明涉及机器人运动控制领域，更具体地，涉及一种基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法。

背景技术

作为人工智能与机器人学研究的良好平台，足球机器人技术已受到国内外学者的普遍关注。机器人足球赛的胜负除了取决于决策子系统水平的高低外，还在很大程度上决定于底层控制系统性能的好坏，因此设计出性能优越的机器人是各球队最重要的目标。

机器人小车作为比赛的具体执行者，其性能优劣直接影响到策略水平的发挥，其性能主要由车体性能与车载底层运动控制系统决定。当小车车体具有良好的运动性能后，小车的性能就由底层运动控制系统决定，因此构建一个快速、安全、可靠的实时运动控制系统是整个系统的关键。

现有Robocup中型组足球机器人有采用四轮全向移动的运动方式，具有全向运动能力的系统使机器人可以向任意方向做直线运动，而之前不需要做旋转运动，并且这种轮系可满足一边做直线运动一边旋转的要求，达到终状态所需要的任意姿态角。全向轮系的应用使足球机器人具有运动快速灵活、控球稳定、进攻性强及易于控制等优点，使机器人在赛场上更具竞争力。

其中足球机器人采用的全向轮是在大轮的周围均匀分布小轮，大轮由电机驱动，小轮可自由转动。这种全方位轮可有效避免普通轮子不能侧滑所带来的非完整性约束，使机器人具有平面运动的全部三个自由度，机动性增强。

在比赛过程中，如何精确的控制机器人运动是足球机器人的核心问题。

发明内容

本发明提出一种基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法，采用该方法能够提高控制精确，同时消除控制过程中的静态误差。

本发明的技术方案为：

一种基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法，包括：

采集机器人各个轮子的期望速度V_wheel和机器人当前实际速度V_real，获取期望速度和当前实际速度获取之间的差值error(k)；

比较差值与设定阈值ε，其中ε>0，根据比较结果判断采用的控制方法，具体为：

当|error(k)|＞ε时，即偏差值error(k)比较大时，采用PD调节；

当|error(k)|≤ε时，即偏差值error(k)比较小时，采用PID调节；

由PD调节或PID调节获取输出信号U(k)，根据输出信号的正负值设置机器人的旋转方向，当U(k)≥0，则设置机器人顺时针旋转，否则设置机器人逆时针旋转；

比较|U(k)|与设定的输出阈值Umax，当|U(k)|＞Umax，则输出U(k)作为驱动机器人电机的PWM信号，否则，输出Umax作为驱动机器人电机的PWM信号，电机根据输出信号调节各个车轮的速度。

采用PID调节时，其输出信号U(k)的根据下式获取：

$U\left(k\right)=k_p\mathrm{error}\left(k\right)+\mathrm{\β}{k}_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{error}\left(j\right)+k_d(\mathrm{error}\left(k\right)-\mathrm{error}(k-1))$

b为积分项的开关系数： $\mathrm{\β}\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|\≤\mathrm{\ϵ}\\ 0& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|>\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.,$ k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。

本发明的运动控制方法根据当前实际速度与期望速度之间的偏差值来确定控制方法，当偏差值较大时，采用PD调节算法能够避免过大的超调，且能使系统由较快的响应；当偏差值过小时，采用PID调节算法能够保证系统的控制精度，且能够消除控制过程中的静态误差。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为电机调速的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。

如图所示，在本实施例中完成足球机器人速度反馈的核心器件是光电编码器。光电编码器与驱动车轮的电机同轴相连，本发明采用电机自带的差分6路输出的增量式光电编码，光电编码器输出三组差动脉冲信号A、B、I、故采用相匹配差分接受器AM26LS32芯片来处理差分脉冲信号。通过控制器的QEI模块进行对AM26LS32芯片输出的脉冲信号进行计数，得到的数据存放在寄存器中，通过比较得到的A，B两相脉冲值可以确定当前电机实际的正反转状态和转速V_real。

电机通过减速器将传动传给轮子，将高速转化为低速，满足了机器人运行的速度和转矩要求。机器人在运动过程中，根据主机发送过来的指令，结合当前自身运动的情况对电机进行合理的控制。对电机的转速进行监测，当给定转速与实际转速差距太大时，并在一段时间后，电机转速没有改变，就认为电机处子堵转状态，电机暂时断电(即PWM的占空比为0)。

在电机调速的过程中采用速度环积分分离数字PID控制算法，如图2所示揭示了电机调速的控制过程。上位机以每秒中50帧的频率向机器人发送命令数据，每当机器人接收到上位机发来的已经调整到机器人坐标系方向的整体期望速度V_robot后，首先按照下式换算得到每个轮子的期望速度V_wheel，然后运用PID控制器算法来进行电机速度调节，从而达到电机调速的目的。

$\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\\ V_3\\ V_4\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}-\sin (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})& r\\ \sin (\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{4})& -\cos (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})& r\\ \sin (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{4})& -\cos (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})& r\\ -\sin (\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{3})& \cos (\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{3})& r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\\ \stackrel{\·}{y}\\ \stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}\end{array}\right].$

如图1，一种基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法，包括：

采集机器人各个轮子的期望速度V_wheel和机器人当前实际速度V_real，获取期望速度和当前实际速度获取之间的差值error(k)；

比较差值与设定阈值ε，其中ε>0，根据比较结果判断采用的控制方法，具体为：

当|error(k)|＞ε时，即偏差值error(k)比较大时，采用PD调节；

当|error(k)|≤ε时，即偏差值error(k)比较小时，采用PID调节；

由PD调节或PID调节获取输出信号U(k)，根据输出信号的正负值设置机器人的旋转方向，当U(k)≥0，则设置机器人顺时针旋转，否则设置机器人逆时针旋转；

比较|U(k)|与设定的输出阈值Umax，当|U(k)|＞Umax，则输出U(k)作为驱动机器人电机的PWM信号，否则，输出Umax作为驱动机器人电机的PWM信号，电机根据输出信号调节各个车轮的速度。

采用PID调节时，其输出信号U(k)的根据下式获取：

$U\left(k\right)=k_p\mathrm{error}\left(k\right)+\mathrm{\β}{k}_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{error}\left(j\right)+k_d(\mathrm{error}\left(k\right)-\mathrm{error}(k-1))$

b为积分项的开关系数： $\mathrm{\β}\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|\≤\mathrm{\ϵ}\\ 0& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|>\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.,$ k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。

本发明的运动控制方法根据当前实际速度与期望速度之间的偏差值来确定控制方法，当偏差值较大时，采用PD调节算法能够避免过大的超调，且能使系统由较快的响应；当偏差值过小时，采用PID调节算法能够保证系统的控制精度，且能够消除控制过程中的静态误差。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法，其特征在于，包括：

采集机器人各个轮子的期望速度V_wheel和机器人当前实际速度V_real，获取期望速度和当前实际速度获取之间的差值error(k)；

比较差值与设定阈值ε，其中ε>0，根据比较结果判断采用的控制方法，具体为：

当|error(k)|＞ε时，即偏差值error(k)比较大时，采用PD调节；

当|error(k)|≤ε时，即偏差值error(k)比较小时，采用PID调节；

由PD调节或PID调节获取输出信号U(k)，根据输出信号的正负值设置机器人的旋转方向，当U(k)≥0，则设置机器人顺时针旋转，否则设置机器人逆时针旋转；

比较|U(k)|与设定的输出阈值Umax，当|U(k)|＞Umax，则输出U(k)作为驱动机器人电机的PWM信号，否则，输出Umax作为驱动机器人电机的PWM信号，电机根据输出信号调节各个车轮的速度。

2.根据权利要求1所述的基于PID的四轮全向足球机器人运动控制方法，其特征在于，采用PID调节时，其输出信号U(k)的根据下式获取：

$U\left(k\right)=k_p\mathrm{error}\left(k\right)+{\mathrm{\βk}}_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{error}\left(j\right)+k_d(\mathrm{error}\left(k\right)-\mathrm{error}(k-1))$

β为积分项的开关系数： $\mathrm{\β}=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|\≤\mathrm{\ϵ}\\ 0& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|>\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.,$ k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数。