CN113204254A - 一种脚踏板电驱动控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及远程遥控驾驶技术领域，公开了一种脚踏板电驱动控制方法和系统，采用脚踏板上搭载的力传感器采集操作者与脚踏板之间的交互力，同时通过闭环方式控制电机，利用传感器实测力和期望力的误差信号控制电机转矩输出，实现脚踏板的力感模拟功能。当脚踏板的位置发生变化时，操作者感受到的阻力也随之发生变化。同时电驱动的力反馈控制方法具有运动灵活，控制方便，且电机的输出力矩较大，延时较小的优点。

Description

一种脚踏板电驱动控制方法和系统

技术领域

本发明实施例涉及远程遥控驾驶技术领域，特别涉及一种脚踏板电驱动控制方法和系统。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，机器人被广泛应用在工业生产、医疗设备、娱乐设施、军事、航空航天、水下科考等多个领域。尽管机器人技术取得长足的进步，但在一些人员难以进入现场且环境复杂的场合，实现机器人自主完成工作任务仍然具有较大的困难，需要采用人机协同的方式来完成作业。例如在巷道掘进，水下打捞等环境恶劣，同时具有一定的危险性的作业现场，一旦发生意外，会对现场作业人员造成巨大的人身财产损失。因此，面对恶劣复杂的工作环境，利用人机交互方式的远程操控机器人，有效地结合机器人的优点与人类的经验智慧，完成特定场景的工作任务。

伴随着操作任务复杂度升级，人机交互方式从单一的鼠标、键盘交互方式向集成视觉、力觉的交互方向发展。融合了力觉信息后，操作者可以实时感知人机交互过程中的力，硬度等物理信息，进一步获得良好的临场感体验，有利于操作者做出正确的判断和任务决策，改善工作效率，提升远程作业的安全性。

远程驾驶作为远程操控机器人的一种应用场景，其操纵机构的性能影响着远程遥控端的拟真度和操控品质。目前的远程驾驶操纵机构主要由驾驶手柄、驾驶盘、驾驶杆和脚踏板等部件组成，而一般的操纵脚踏板仅作为特殊的运动输入设备，完成操作者的输入功能，未能以自然的，真实的方式将现场信息反馈给操作者。利用弹性元件，如弹簧、橡胶元件或两者的组合来产生踏板力的方式难以根据操作者不同的踩踏力进行调节，力模拟效果不好；而基于液压的模拟力反馈机构在运行过程中，容易产生漏油现象，且不易检修。

目前的操纵机构脚踏板仅作为一种特殊的运动输入设备，实现了操作者的输入功能。但缺少力觉反馈的脚踏板无法为操作者提供逼真的临场感，降低了操作者的驾驶体验。利用弹性元件的压缩特性进行踏板力模拟，其模拟力难以依照操作者与脚踏板的交互力进行调节。而采用基于液压模拟力加载机构则存在运行噪声较大，不易检维修的不足。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种脚踏板电驱动控制方法和系统，采用基于力传感器的电机闭环控制，通过电机为脚踏板提供力觉反馈，使操作者在操纵过程中踩脚踏板时可以感受到真实力感，提高操纵机构的力感模拟逼真度。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明的实施例提供了一种脚踏板电驱动控制方法，包括：

实时确定远程驾驶系统中脚踏板的位移信号，以及操作者与脚踏板之间的交互力；

基于预先建立的脚踏板力-位移模型，确定脚踏板在当前位移状态下应加载的模拟阻力期望值；

以所述交互力与所述模拟阻力期望之间的偏差作为比例积分微分控制器PID控制单元的输入信号，以所述PID控制单元的输出作为脚踏板的驱动器的控制信号，以使所述驱动器根据所述控制信号调整所述脚踏板加载的阻力。

作为优选的，所述PID控制单元采用增程式PID算法，所述增程式PID算法的算式为：

Δu(k)＝kp*(e(k)-e(k-1))+ki*e(k)+kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

上式中，kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；k表示第k个采样时间点，e(k)代表k采样时间点的输入信号；u(k)为k时刻PID控制单元的输出。

第二方面，本发明的实施例提供了一种脚踏板电驱动控制系统，包括：

采集模块，实时确定远程驾驶系统中脚踏板的位移信号，以及操作者与脚踏板之间的交互力；

上位计算机，基于预先建立的脚踏板力-位移模型，确定脚踏板在当前位移状态下应加载的模拟阻力期望值；

PID控制单元，以所述交互力与所述模拟阻力期望之间的偏差作为控制器PID控制单元的输入信号，以所述PID控制单元的输出作为脚踏板的驱动器的控制信号，以使所述驱动器根据所述控制信号调整所述脚踏板加载的阻力。

作为优选的，所述采集模块包括位移传感器和力传感器，所述位移传感器和所述力传感器设于所述脚踏板上；所述位移传感器用于实时确定远程驾驶系统中脚踏板的位移信号，并将所述位移信号传输至所述上位机模块，所述力传感器用于采集操作者与脚踏板之间的交互力，并将所述交互力传输至所述PID控制单元。

作为优选的，所述脚踏板通过减速器连接有电机，所述电机连接有驱动器，所述驱动器连接所述PID控制单元。

作为优选的，所述PID控制单元采用增程式PID算法，所述增程式PID算法的算式为：

Δu(k)＝kp*(e(k)-e(k-1))+ki*e(k)+kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

上式中，kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；k表示第k个采样时间点，e(k)代表k采样时间点的输入信号；u(k)为k时刻PID控制单元的输出。

作为优选的，所述位移传感器连接有信号调理器，所述信号调理器连接有滤波器，所述滤波器通过串口通信连接所述PID控制单元。

本发明实施例提供的一种脚踏板电驱动控制方法和系统，采用脚踏板上搭载的力传感器采集操作者与脚踏板之间的交互力，同时通过闭环方式控制电机，利用传感器实测力和期望力的误差信号控制电机转矩输出，实现脚踏板的力感模拟功能。当脚踏板的位置发生变化时，操作者感受到的阻力也随之发生变化。同时电驱动的力反馈控制方法具有运动灵活，控制方便，且电机的输出力矩较大，延时较小的优点。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明实施例一的一种脚踏板电驱动控制方法流程示意图；

图2是根据本发明实施例二的一种脚踏板电驱动控制系统示意图；

图3是根据本发明实施例的力闭环控制算法流程图。

具体实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本申请实施例中的术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本申请的描述中，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列部件或单元的系统、产品或设备没有限定于已列出的部件或单元，而是可选地还包括没有列出的部件或单元，或可选地还包括对于这些产品或设备固有的其它部件或单元。本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在远程遥控驾驶领域，操纵机构作为远程驾驶人机交互的重要接口，其性能是影响操作者作业体验的关键。遥控端的操纵机构由驾驶手柄、驾驶盘、驾驶杆和脚踏板等组成。一般的脚踏板操纵只能实现远程输入控制，不能让操作者身临其境地感受到现场的情景。本发明基于力传感器的闭环控制方式，实现脚踏板的高仿真度力感模拟，提高脚踏板的力感模拟性能，提高远程操控驾驶操作人员的临场感，降低操作失误，提高工作效率。

下面对本实施例的一种脚踏板电驱动控制方法和系统的实现细节进行具体的说明，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。

本发明的第一实施例涉及一种脚踏板电驱动控制方法。如图1中所示，包括：

实时确定远程驾驶系统中脚踏板的位移信号，以及操作者与脚踏板之间的交互力；

基于预先建立的脚踏板力-位移模型，确定脚踏板在当前位移状态下应加载的模拟阻力期望值；

以所述交互力与所述模拟阻力期望之间的偏差作为比例积分微分控制器PID控制单元的输入信号，以所述PID控制单元的输出作为脚踏板的驱动器的控制信号，以使所述驱动器根据所述控制信号调整所述脚踏板加载的阻力。

具体的，本实施例中使用力闭环的方式控制电机，通过力传感器测得操作者与脚踏板之间的交互力，并测出脚踏板的位移信息，根据交互力和位移信息，通过控制算法解算出电机的控制量，从而控制电机的转矩输出，使电机的转矩模拟现实中脚踩踏板时的阻力。能够实现脚踏板的高仿真度力感模拟，提高脚踏板的力感模拟性能，提高远程操控驾驶操作人员的临场感，降低操作失误，提高工作效率。

远程驾驶作为远程操控机器人的一种应用场景，其操纵机构的性能影响着远程遥控端的拟真度和操控品质。目前的远程驾驶操纵机构主要由驾驶手柄、驾驶盘、驾驶杆和脚踏板等部件组成，而一般的操纵脚踏板仅作为特殊的运动输入设备，完成操作者的输入功能，未能以自然的，真实的方式将现场信息反馈给操作者。利用弹性元件，如弹簧、橡胶元件或两者的组合来产生踏板力的方式难以根据操作者不同的踩踏力进行调节，力模拟效果不好；而基于液压的模拟力反馈机构在运行过程中，容易产生漏油现象，且不易检修。因此，本实施例中基于力传感器的脚踏板电驱动控制方法，模拟真实的脚蹬力，使操作者可以身临其境地感受现场环境及控制机器人完成工作任务，且电机控制方式也具有响应较快，延时较小，使用维护较为方便的优点。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，当操作者脚踩踏板时，实时测量到脚踏板的位移信号，位移信号通过信号调理、滤波等处理后由串口通信传输至运动控制器，然后通过以太网传输至上位计算机，作为上位计算机内建立的脚踏板力-位移模型的输入，从而计算出在当前脚踏板位移状态下应加载的模拟阻力期望值，随着脚踏板位置的不断改变，模拟阻力期望值也不断发生变化。同时实时采集操作者与脚踏板之间的交互力，作为力闭环控制的反馈信号，与上位计算机传来的模拟阻力期望值做偏差，经过运动控制器内的力反馈PID(Proportion Integration Differentiation，比例-积分-微分)控制单元，计算得到电机控制信号。

闭环控制方法的流程图如图3所示，操纵者的实时操纵得到的交互力与模拟阻力期望值的偏差作为力反馈PID控制单元的输入信号，PID控制单元的输出信号作为驱动器的控制信号来实时控制驱动器、电机的运动。为实现操纵力对期望力的跟随效果，闭环控制算法采用增量式PID算法，对力偏差进行实时控制，从而控制电机的输出转矩。增量式PID控制器的的控制算式为：

Δu(k)＝kp*(e(k)-e(k-1))+ki*e(k)+kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

上式中，kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；k表示第k个采样时间点，e(k)代表k采样时间点的输入信号；u(k)为k时刻PID控制单元的输出。通过调节比例系数kp,可以加快系统的实时响应速度，缩短响应时间，消除跟随力信号的时延现象；调节积分系数ki可以消除控制系统的实测力与期望力的稳态误差，保证系统能够达到理想的力跟随效果；通过调节微分系数kd，可以减轻控制系统在运行过程中的震荡，增强系统的鲁棒性。增量式PID控制的输出只与当前的误差值与前两次采样的误差值有关，避免之前的误差值对系统当前输出的影响，不仅可以提高系统的鲁棒性，同时可以使计算简单，提高控制系统的响应速度；同时增量式PID控制算法的输出信号是控制增量，若出现故障等问题，不会对控制系统带来严重影响，使系统运行更加平稳。

第二方面，本发明的实施例提供了一种脚踏板电驱动控制系统，基于上述实施例中的脚踏板电驱动控制方法，包括：

采集模块，实时确定远程驾驶系统中脚踏板8的位移信号，以及操作者与脚踏板8之间的交互力；

上位计算机1，基于预先建立的脚踏板力-位移模型，确定脚踏板8在当前位移状态下应加载的模拟阻力期望值；

PID控制单元2，以所述交互力与所述模拟阻力期望之间的偏差作为控制器PID控制单元2的输入信号，以所述PID控制单元2的输出作为脚踏板8的驱动器3的控制信号，以使所述驱动器3根据所述控制信号调整所述脚踏板8加载的阻力。

具体的，本实施例中使用力闭环的方式控制电机5，通过力传感器7测得操作者与脚踏板8之间的交互力，并根据位移传感器4测出脚踏板8的位移信息，根据交互力和位移信息，通过控制算法解算出电机的控制量，从而控制电机5的转矩输出，使电机5的转矩模拟现实中脚踩踏板8时的阻力。能够实现脚踏板8的高仿真度力感模拟，提高脚踏板8的力感模拟性能，提高远程操控驾驶操作人员的临场感，降低操作失误，提高工作效率。

远程驾驶作为远程操控机器人的一种应用场景，其操纵机构的性能影响着远程遥控端的拟真度和操控品质。目前的远程驾驶操纵机构主要由驾驶手柄、驾驶盘、驾驶杆和脚踏板等部件组成，而一般的操纵脚踏板仅作为特殊的运动输入设备，完成操作者的输入功能，未能以自然的，真实的方式将现场信息反馈给操作者。利用弹性元件，如弹簧、橡胶元件或两者的组合来产生踏板力的方式难以根据操作者不同的踩踏力进行调节，力模拟效果不好；而基于液压的模拟力反馈机构在运行过程中，容易产生漏油现象，且不易检修。因此，本实施例中基于力传感器的脚踏板电驱动控制方法，模拟真实的脚蹬力，使操作者可以身临其境地感受现场环境及控制机器人完成工作任务，且电机控制方式也具有响应较快，延时较小，使用维护较为方便的优点。

在上述实施例的基础上，作为一种优选的实施方式，所述采集模块包括位移传感器4和力传感器7，所述位移传感器4和所述力传感器7设于所述脚踏板8上；所述位移传感器4用于实时确定远程驾驶系统中脚踏板8的位移信号，并将所述位移信号传输至所述上位计算器1，所述力传感器7用于采集操作者与脚踏板8之间的交互力，并将所述交互力传输至所述PID控制单元2。

所述位移传感器4连接有信号调理器，所述信号调理器连接有滤波器，所述滤波器通过串口通信连接所述PID控制单元2。

当操作者脚踩踏板8时，实时测量到脚踏板8的位移信号，位移信号通过信号调理、滤波等处理后由串口通信传输至运动控制器，然后通过以太网传输至上位计算机1，作为上位计算机1内建立的脚踏板力-位移模型的输入，从而计算出在当前脚踏板8位移状态下应加载的模拟阻力期望值，随着脚踏板8位置的不断改变，模拟阻力期望值也不断发生变化。同时实时采集操作者与脚踏板8之间的交互力，作为力闭环控制的反馈信号，与上位计算机1传来的模拟阻力期望值做偏差，经过运动控制器内的力反馈PID(ProportionIntegration Differentiation，比例-积分-微分)控制单元，计算得到电机5控制信号。

所述脚踏板8通过减速器6连接有电机5，所述电机5连接有驱动器3，所述驱动器3连接所述PID控制单元2。

所述PID控制单元2采用增程式PID算法，所述增程式PID算法的算式为：

Δu(k)＝kp*(e(k)-e(k-1))+ki*e(k)+kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

上式中，kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；k表示第k个采样时间点，e(k)代表k采样时间点的输入信号；u(k)为k时刻PID控制单元2的输出。

闭环控制方法的流程图如图3所示，操纵者的实时操纵得到的交互力与模拟阻力期望值的偏差作为力反馈PID控制单元2的输入信号，PID控制单元2的输出信号作为驱动器3的控制信号来实时控制驱动器3、电机5的运动。为实现操纵力对期望力的跟随效果，闭环控制算法采用增量式PID算法，对力偏差进行实时控制，从而控制电机5的输出转矩。

通过调节比例系数kp,可以加快系统的实时响应速度，缩短响应时间，消除跟随力信号的时延现象；调节积分系数ki可以消除控制系统的实测力与期望力的稳态误差，保证系统能够达到理想的力跟随效果；通过调节微分系数kd，可以减轻控制系统在运行过程中的震荡，增强系统的鲁棒性。增量式PID控制的输出只与当前的误差值与前两次采样的误差值有关，避免之前的误差值对系统当前输出的影响，不仅可以提高系统的鲁棒性，同时可以使计算简单，提高控制系统的响应速度；同时增量式PID控制算法的输出信号是控制增量，若出现故障等问题，不会对控制系统带来严重影响，使系统运行更加平稳。

本发明实施例提供的一种脚踏板电驱动控制方法和系统，采用脚踏板上搭载的力传感器采集操作者与脚踏板之间的交互力，同时通过闭环方式控制电机，利用传感器实测力和期望力的误差信号控制电机转矩输出，实现脚踏板的力感模拟功能。当脚踏板的位置发生变化时，操作者感受到的阻力也随之发生变化。同时电驱动的力反馈控制方法具有运动灵活，控制方便，且电机的输出力矩较大，延时较小的优点。

本发明的各实施方式可以任意进行组合，以实现不同的技术效果。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidStateDisk)等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，该流程可以由计算机程序来指令相关的硬件完成，该程序可存储于计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：ROM或随机存储记忆体RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种脚踏板电驱动控制方法，其特征在于，包括：

实时确定远程驾驶系统中脚踏板的位移信号，以及操作者与脚踏板之间的交互力；

基于预先建立的脚踏板力-位移模型，确定脚踏板在当前位移状态下应加载的模拟阻力期望值；

以所述交互力与所述模拟阻力期望之间的偏差作为比例积分微分控制器PID控制单元的输入信号，以所述PID控制单元的输出作为脚踏板的驱动器的控制信号，以使所述驱动器根据所述控制信号调整所述脚踏板加载的阻力。

2.根据权利要求1所述的脚踏板电驱动控制方法，其特征在于，所述PID控制单元采用增程式PID算法，所述增程式PID算法的算式为：

Δu(k)＝kp*(e(k)-e(k-1))+ki*e(k)+kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

上式中，kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；k表示第k个采样时间点，e(k)代表k采样时间点的输入信号；u(k)为k时刻PID控制单元的输出。

3.一种脚踏板电驱动控制系统，其特征在于，包括：

采集模块，实时确定远程驾驶系统中脚踏板的位移信号，以及操作者与脚踏板之间的交互力；

上位计算机，基于预先建立的脚踏板力-位移模型，确定脚踏板在当前位移状态下应加载的模拟阻力期望值；

PID控制单元，以所述交互力与所述模拟阻力期望之间的偏差作为控制器PID控制单元的输入信号，以所述PID控制单元的输出作为脚踏板的驱动器的控制信号，以使所述驱动器根据所述控制信号调整所述脚踏板加载的阻力。

4.根据权利要求3所述的脚踏板电驱动控制系统，其特征在于，所述采集模块包括位移传感器和力传感器，所述位移传感器和所述力传感器设于所述脚踏板上；所述位移传感器用于实时确定远程驾驶系统中脚踏板的位移信号，并将所述位移信号传输至所述上位机模块，所述力传感器用于采集操作者与脚踏板之间的交互力，并将所述交互力传输至所述PID控制单元。

5.根据权利要求4所述的脚踏板电驱动控制系统，其特征在于，所述脚踏板通过减速器连接有电机，所述电机连接有驱动器，所述驱动器连接所述PID控制单元。

6.根据权利要求3所述的脚踏板电驱动控制系统，其特征在于，所述PID控制单元采用增程式PID算法，所述增程式PID算法的算式为：

Δu(k)＝kp*(e(k)-e(k-1))+ki*e(k)+kd*(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))

上式中，kp、ki、kd分别为比例系数、积分系数、微分系数；k表示第k个采样时间点，e(k)代表k采样时间点的输入信号；u(k)为k时刻PID控制单元的输出。

7.根据权利要求4所述的脚踏板电驱动控制系统，其特征在于，所述位移传感器连接有信号调理器，所述信号调理器连接有滤波器，所述滤波器通过串口通信连接所述PID控制单元。

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