CN113894789A - 基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开属于模块化轮式机器人控制技术领域，提供了一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统及方法，包括控制模块以及分别与所述控制模块相连接的轮式车体和设置在所述轮式车体上的车载对接模块；其中，所述车载对接模块包括分别设置在轮式车体两端的主动对接子模块和被动对接子模块；所述主动对接子模块包括固定装置和与所述固定装置连接的转动连杆，所述转动连杆上设置有力传感器；所述被动对接子模块采用与所述连杆相匹配的锁紧机构。本公开通过车载对接模块增强了两模块共同运动过程时对外部冲击和自身通讯时延的适应能力，降低了由于对接机构上受力过大而断裂的概率，使两模块在协同运动过程中有较好的速度匹配性。

Description

基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统及方法
技术领域
本公开属于模块化轮式机器人控制技术领域，具体涉及一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
针对野外补充给养、设备投送、人员随行等任务需求，需要机器人具有很强的适应性以及自主性。传统机器人由于结构功能单一，很难满足这些要求，因此需要设计模块机器人的概念。机器人模块间的不同连接能构成不同结构的机器人系统，可以适应不同的工作环境，增加了系统的适应性，同时模块化的思想使机器人的机械结构更加简单，制造成本更加低廉，增强了机器人系统的功能多样性和鲁棒性。
模块化轮式机器人是有着相同结构的轮式单元，可以通过模块上携带的主从模块完成系统的对接，形成多元的智能化集群来应对更复杂的工作环境与要求。在轮式模块化多机器人研究领域，机器人之间的速度匹配和对接机构稳定性，与模块化机器人作业范围以及构型能力直接相关；其中，模块间的速度匹配问题又是关键所在。在构型运动的过程中，需要保证对接机构不断裂，这需要模块间速度匹配精确。在模块化轮式机器人研究领域，模块间的速度匹配问题是一个具有挑战性的研究方向。
多轮系速度匹配问题是模块化轮式机器人领域的重要研究方向，即给定系统中某一模块的速度，系统中的其他模块可以依据构型关系更新自身速度，来保持模块间的构型稳定。构型系统内部模块速度匹配差会加剧对接机构的受力。个别模块由于外部环境引起的速度突变或因为通讯时延而导致速度更新的滞后会使得对接机构上产生一定的拉或推力。上述的速度突变往往存在于很短的时间内，在模块间宏观的位置信息上往往难以体现，如果不针对突变的速度做出反馈，严重情况下会导致对接机构受力超出承受范围而断裂，严重破坏构型系统的稳定性。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统及方法，针对模块化轮式机器人对接运动中由于速度突变所导致的车载对接模块受力过大问题，提供了一种准确可行、实时性高的力反馈轮式对接机器人的速度控制系统及方法。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，采用如下技术方案：
一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，包括控制模块以及分别与所述控制模块相连接的轮式车体和设置在所述轮式车体上的车载对接模块；
其中，所述车载对接模块包括分别设置在轮式车体两端的主动对接子模块和被动对接子模块；所述主动对接子模块包括固定装置和与所述固定装置连接的转动连杆，所述转动连杆上设置有力传感器；所述被动对接子模块采用与所述连杆相匹配的锁紧机构。
作为进一步的技术限定，所述轮式车体的中心设置有与所述控制模块相连接的用于测量轮式对接机器人运行状态数据的惯性测量单元。
作为进一步的技术限定，所述轮式车体上设置有用于四轮独立驱动的第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机。
进一步的，所述固定装置内设第五驱动电机，所述锁紧机构内设第六驱动电机。
进一步的，所述第一驱动电机与第一编码器相连；所述第二驱动电机与第二编码器相连接；所述第三驱动电机与第三编码器相连；所述第四驱动电机与第四编码器相连接。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，采用了第一方案中所提供的基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，采用如下技术方案：
一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，包括以下步骤：
获取轮式对接机器人之间的拉力返回值；
判断拉力返回值是否超出死区范围，当超出时计算轮式对接机器人之间的速度期望改变量；
基于得到的速度期望改变量更新轮式对接机器人的速度，匹配轮式对接机器人的速度。
作为进一步的技术限定，在获取轮式对接机器人之间的拉力返回值之前，采集对接后的每个轮式对接机器人的运行状态数据，根据所得到的运行状态数据判断每个轮式对接机器人是否处于运动状态。
进一步的，当轮式对接机器人均处于运动状态时，获取轮式对接机器人之间的拉力返回值；否则继续采集对接后的每个轮式对接机器人的运行状态数据。
作为进一步的技术限定，通过加权递推滤波算法进行拉力返回值的计算，当计算后的拉力返回值超出死区范围时，则轮式对接机器人之间的速度匹配度差，需进行轮式对接机器人速度的修正，匹配轮式对接机器人的速度。
进一步的，当计算后的拉力返回值没有超出死区范围时，则轮式对接机器人之间的速度匹配度高，不进行轮式对接机器人的速度干扰。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开通过车载对接模块增强了两模块共同运动过程时对外部冲击和自身通讯时延的适应能力，降低了由于车载对接模块上受力过大而断裂的概率，使两模块在协同运动过程中有较好的速度匹配性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统的结构框图；
图2是本公开实施例一中的轮式对接机器人的结构示意图；
图3是本公开实施例一中的主动对接模块上的力传感器的结构示意图；
图4是本公开实施例二中的基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法的流程图；
图5是本公开实施例二中的两个轮式对接机器人串联的结构示意图；
图6是本公开实施例二中的加权递推平均滤波数组图；
图7是本公开实施例二中死区判断的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统。
如图1、图2和图3所示的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，包括控制模块以及分别与控制模块相连接的轮式车体和设置在轮式车体上的车载对接模块；其中，车载对接模块包括分别设置在轮式车体两端的主动对接子模块和被动对接子模块；所述主动对接子模块包括固定装置和与所述固定装置连接的转动连杆，所述转动连杆上设置有力传感器；所述被动对接子模块采用与所述连杆相匹配的锁紧机构；轮式车体的中心设置有与控制模块相连接的用于测量轮式对接机器人运行状态数据的惯性测量单元；轮式车体上设置有用于四轮独立驱动的第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机；固定装置内设第五驱动电机，锁紧机构内设第六驱动电机；第一编码器和第一驱动器相连接；第二编码器和第二驱动器相连接；第三编码器和第三驱动器相连接；第四编码器和第四驱动器相连接。控制模块内设控制器，实现对六组电机驱动器、编码器以及惯性测量单元的控制。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，采用了实施例一种所介绍的基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统。
如图4所示的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，包括以下步骤：
采集对接后的每个轮式对接机器人的运行状态数据，根据所得到的运行状态数据判断每个轮式对接机器人是否处于运动状态；
当轮式对接机器人均处于运动状态时，获取轮式对接机器人之间的拉力返回值；否则继续采集对接后的每个轮式对接机器人的运行状态数；
判断拉力返回值是否超出死区范围，当超出时计算轮式对接机器人之间的速度期望改变量；
基于得到的速度期望改变量更新轮式对接机器人的速度，匹配轮式对接机器人的速度。
根据第一编码器、第二编码器、第三编码器和第四编码器的脉冲数返回值可以得到车体当前的速度信息，控制器根据当前的速度信息以及期望的速度，更改第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机的输入参数。不断改变输出量，通过控制器控制第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机，改变轮式对接机器人的速度，使得实际速度与期望速度达到一致。
力传感器用于获取车载对接模块上的受力情况，从主动对接子模块上受力信息是对从模块进行速度调节的主要依据，控制器根据力传感器的返回值，来对相连模块的速度状态进行判定。
串联构型在协同运动的过程中，期望两个机器人的速度匹配，这样既能保证构型的稳定性，也能最有效的发挥出构形运动的优势。假设机器人A与机器人B通过车载对接模块进行连接，其中力传感器位于机器人A的主动对接子模块上，机器人B的被动对接子模块锁紧机器人A附着了力传感器的主动对接子模块，两车呈现串联的形式。两车以串联构型进行运动时，期望速度是相同的，在极短的时间内，当其中某车受到外部环境干扰或者因为通讯时延带来的速度突变时，串联两车的速度匹配性局部时间内变差，使车载对接模块上出现较大的受力现象，忽略这个力的作用严重情况下会导致车载对接模块的断裂。假设发生速度突变的是上述所说的机器人B，机器人B出现短暂的速度提高时，机器人A车载对接模块上的力传感器检测到机器人B所传来的拉力，通过力反馈映射到速度，控制器发送指令至驱动器，提升机器人A速度，控制目标是使机器人A能够较好追踪机器人B速度的同时使车载对接模块上的受力尽可能小。
以图5为例，展开详细的介绍。
设置具有相同动力学参数的两组作为实验组和对照组。对照组中，构型中两模块期望速度都为1m/s，两车分别加以幅值为0.05m/s的速度干扰用于模拟外部环境干扰和由于通讯时延带来的速度差，系统在摩擦系数为0.2的地面上做直线运动，力传感器上的受力情况处于大范围震荡状态，且两模块在协同运动过程中能明显的看出由于速度不匹配而产生的拖拽现象。实验组中使用了本实施例的轮式对接机器人速度匹配的控制方法，基础参数与外部环境设置和对照组相同，实验组额外增添了对“头车”的速度控制器，即可对图5所示系统中的头车进行加速、减速控制。加上本实施例方法后，无论是人为控制还是受外部干扰而导致的头车速度改变，系统内两车的速度匹配度有明显提高且对接机构上的受力情况稳定在一个较小区间内。详细步骤如下：
(1)通过第一编码器和第二编码器返回值，解算得到两模块速度Vh和Vb，Vh是头车的速度，Vb是尾车的速度，根据两车速度来判断系统是否处于运动；
(2)当系统处于运动状态时，获取加装在尾车主动对接机构上的力传感器返回值Ft，力传感器的数据读取周期为极短的Δt1，且Ft具有高频震荡且滞后性强的特点，原始数据不能作为后续算法的可靠输入值。如图3力传感器加装示意图中坐标系所示，Ft分布在Y轴上，当头车速度大于尾车时，系统中两模块呈现头车相对拉着尾车做直线运动的状态，此时Ft应为正值；当头车速度小于尾车时，系统中的两模块呈现尾车相对推着头车做直线运动的状态，此时应Ft为负值；
(3)将(2)中获得的Ft与历史值所构成的F数组进行加权递推平均滤波(如图6所示)，越是接近现时刻的数据，赋予Fx的权值越大；
设置加权递推平均滤波器返回值F′t的计算公式为：
Figure BDA0003336501810000101
通过加权递推滤波算法，可以解决Ft具有高频震荡且滞后性强对后续算法的影响，认为通过加权递推平均滤波算法得到的F′t为此时对接机构上的有效受力情况；
(4)当系统内模块速度匹配较好时，(3)中得到的F′t也较小，如果此时对系统内的模块速度进行干扰，反而会产生频繁的震荡，降低系统的鲁棒性。因此要对F′t进行一个死区判断:
如图7所示，当F′t处于区间[-F0，F0]时，认为此时系统内模块间的速度匹配度高，不对系统中模块的速度进行干扰；当|F′t|>|F0|时，认为此时系统内模块间的速度匹配度较差，此时将F′t送入(5)，修正模块速度；
(5)产生F′t的原因是系统内对接模块之间存在ΔV，使对接机构上受力F′t∈[-F0，F0]内的控制策略是借助F′t在连续几个周期内修正模块间的ΔV。由牛顿经典力学可知：
Figure BDA0003336501810000102
Figure BDA0003336501810000103
在系统周期极短的情况下(Δt≈50ms),上述公式可进一步简化为:
Figure BDA0003336501810000111
其中Δt即系统周期，m为单模块总质量。
步骤(4)中得到的F′t为t时刻对接机构上的有效受力情况，直接将其作为公式(4)中的输入F，得到的ΔV为在一个周期内期望的速度改变量，这样的控制策略不仅会降低系统的稳定性，在工程实践中也难以实现。故将F作为PID控制器的输入，期望在几个周期内的ΔV完成对模块速度的更新：
Figure BDA0003336501810000112
公式(5)中得到的F作为公式(4)中的F输入，求得在本周期的速度改变量ΔV。
(6)根据步骤(5)中得到的ΔV对模块速度进行更新，ΔV改变在携带力传感器的模块上。系统内模块速度更新结束，跳回步骤(1)。
针对模块化轮式机器人对接运动中由于速度突变所导致的对接机构受力过大问题，本实施例提供一种准确可行、实时性高的力反馈轮式机器人的速度控制系统。本实施例中的方法增强了两模块共同运动过程时对外部冲击和自身通讯时延的适应能力，降低了由于对接机构上受力过大而断裂的概率，使两模块在协同运动过程中有较好的速度匹配性。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，其特征在于，包括控制模块以及分别与所述控制模块相连接的轮式车体和设置在所述轮式车体上的车载对接模块；
其中，所述车载对接模块包括分别设置在轮式车体两端的主动对接子模块和被动对接子模块；所述主动对接子模块包括固定装置和与所述固定装置连接的转动连杆，所述转动连杆上设置有力传感器；所述被动对接子模块采用与所述连杆相匹配的锁紧机构。
2.如权利要求1中所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，其特征在于，所述轮式车体的中心设置有与所述控制模块相连接的用于测量轮式对接机器人运行状态数据的惯性测量单元。
3.如权利要求1中所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，其特征在于，所述轮式车体上设置有用于四轮独立驱动的第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和第四驱动电机。
4.如权利要求3中所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，其特征在于，所述固定装置内设第五驱动电机，所述锁紧机构内设第六驱动电机。
5.如权利要求4中所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制系统，其特征在于，所述第一驱动电机与第一编码器相连；所述第二驱动电机与第二编码器相连接；所述第三驱动电机与第三编码器相连；所述第四驱动电机与第四编码器相连接。
6.一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取轮式对接机器人之间的拉力返回值；
判断拉力返回值是否超出死区范围，当超出时计算轮式对接机器人之间的速度期望改变量；
基于得到的速度期望改变量更新轮式对接机器人的速度，匹配轮式对接机器人的速度。
7.如权利要求6所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，其特征在于，在获取轮式对接机器人之间的拉力返回值之前，采集对接后的每个轮式对接机器人的运行状态数据，根据所得到的运行状态数据判断每个轮式对接机器人是否处于运动状态。
8.如权利要求7所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，其特征在于，当轮式对接机器人均处于运动状态时，获取轮式对接机器人之间的拉力返回值；否则继续采集对接后的每个轮式对接机器人的运行状态数据。
9.如权利要求6所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，其特征在于，通过加权递推滤波算法进行拉力返回值的计算，当计算后的拉力返回值超出死区范围时，则轮式对接机器人之间的速度匹配度差，需进行轮式对接机器人速度的修正，匹配轮式对接机器人的速度。
10.如权利要求9所述的一种基于力反馈的轮式对接机器人速度匹配控制方法，其特征在于，当计算后的拉力返回值没有超出死区范围时，则轮式对接机器人之间的速度匹配度高，不进行轮式对接机器人的速度干扰。
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